CN1657501A - 微米多孔陶瓷板及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种微米多孔陶瓷板及制备方法，本发明以稀土废渣为主要原料，电气石、堇青石和高岭土按其配方称量，混合搅拌制成泥浆，用尼龙或任何一种可燃性纤维网分层造孔成型、排塑、干燥、表面处理之后，烧结成孔径60～200μm的多孔陶瓷板，该陶瓷板具有均匀的贯穿直孔、气孔率＜20％、抗压强度10MPa以上，负离子产率500～5000个/cm³。本发明只需要简单的设备，易于操作，工艺简单，制造成本低，孔径小，气孔率小(即溶重大)，强度大，单位体积的辐射强度高，解决了部分稀土废渣的利用问题，在活化水、活化油及节能等方面有广泛的应用前景。

Description

微米多孔陶瓷板及制备方法

技术领域

本发明属于无机非金属陶瓷材料领域中的一种制造方法，涉及陶瓷材料的成型工艺及稀土废渣的利用。这种多孔陶瓷主要用于活化水、活化油及节能方面。

背景技术

多孔陶瓷，又被称为微孔陶瓷、泡沫陶瓷等，具有均匀分布的微孔，体积密度小，有着三维立体网络骨架结构，且相互贯通的陶瓷制品。它具有发达的比表面积及独特的物理表面特性，对液体和气体介质有选择的透过性、能量吸收或阻压特性，加上陶瓷材料本身独有的耐高温、耐腐蚀等优异特性，使多孔陶瓷在气体、液体过滤、净化分离、化工催化载体、高级保温材料、生物植入材料、吸声减震和传感器材料等许多方面得到广泛应用。

多孔陶瓷是美国F.R.Mollard和N.Davidson等人于1978年发明，并在1980年4月在美国铸造年会上发表的研究成果。他们利用Al₂O₃和高领土等陶瓷材料，制泥浆、成型、烧结成多孔陶瓷，用于铝合金铸造过滤等方面。2002年美国G.Antonio发明专利(USPaten：296470)：以SiO₂和水玻璃为原料制成的高强度粒状多孔陶瓷，提高了强度，用于净化水方面，但不能用于活化水和活化油及节能方面，同时闭孔率较高，贯穿直孔率较低。2003年日本人小出正文的国际专利：多孔陶瓷制备方法，WO2003/093197，把含水结晶材料烧掉形成多孔陶瓷的制备工艺，方法先进，但不易控制气孔率，也不能用于活化水、活化油及节能方面。

中国是从80年代开始研制和开发应用，已应用在冶金、化工与交通等方面中的气体净化和保温隔热等。产品有多孔电板、催化剂载体、热交换器、气体传感器、过滤器、分离装置、节流元件、保温材料、吸音材料、减震材料等。2003年蒲锡鹏等发明的专利：有机泡沫模板的处理方法，2003310109369.8，虽然提高了泡沫陶瓷的强度，但成本提高更多，也不能用于活化水、活化油及节能方面。

现有的多孔陶瓷制造工艺有挤出成型工艺、有机泡沫浸渍工艺、发泡工艺、添加造孔剂工艺和溶胶—凝胶工艺等。常用的挤出成型工艺的核心技术是模具，现生产使用的模具的最小孔粒为37μm。但是挤出成型工艺难以制造小孔径制品，模具消耗大，成本高；有机泡沫浸渍工艺不易制成高强度产品；发泡工艺对原料要求较高，工艺条件不易控制；添加造孔剂工艺制成的产品气孔分布性差、气孔率低，易产生闭合孔而不易产生有序的贯穿直孔；溶胶—凝胶工艺不易制成大块产品。

综上所述，现有多孔陶瓷工艺存在的问题主要有：挤出成型工艺难以制造小孔径制品，强度低，成本高，当气孔越小时，气孔率越大(即溶重小)，强度越低，单位体积的辐射的强度就越低；添加造孔工艺气孔分布性差、气孔率低且不易形成贯穿直孔；不适用于活化水、活化油及节能方面。

目前未见用可燃性纤维网造孔分层成型制成多孔陶瓷的工艺和用于活化水、活化油节能方面的多孔陶瓷板。

发明内容

发明所要解决的技术问题是，现有的多孔陶瓷工艺成品率低，产品成本高、不易制成有序的贯穿直孔、不具微量放射功能等，当气孔越小时，气孔率越大(即溶重小)，强度越低，单位体积的辐射的强度就越低，不易用于活化水、活化油及节能方面。

本发明是以稀土废渣为主要原料，用纤维网造孔成型制成的微米多孔陶瓷板，其上分布均匀的贯穿直孔，闭孔率低，孔径小，气孔率小(即溶重大)，强度大且提高了单位体积的辐射强度，适用于活化水、活化油及节能方面，同时也解决了部分稀土废渣的利用问题。

本发明的技术方案：

微米多孔陶瓷板由造孔材料和泥浆分层造孔成型烧结而成。

所述的造孔材料为尼龙或任何一种可燃性纤维网。纤维网的网格间距为1.6～6mm，纤维直径为200μm以下。

在纤维网上涂上一层含碳的粉体，其粉体为煅烧氧化铝Al₂O₃、氧化镁MgO或石英砂与20％～60％的碳粉和含水70％的聚乙烯醇溶液混合物。

所述的泥浆是以稀土废渣为主原料，与电气石、堇青石和高岭土等按配方的重量百分比称量、混合，加入粘结剂、桐油和水搅拌而成。

按重量百分比，泥浆的配方：

稀土废渣((Ce，La，Na)₂O₃的含量≥4％，ThO₂含量0.6％～1.8％)    20～80

电气石Na(Mg，Fe…)Al₆B₃Si₆O₂₇(OH)₄                           0～76

堇青石2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂                                      0～30

高岭土Al₂O₃                                                     0～2

石英SiO₂                                                         0～4

玻璃粉                                                              0～3

以上原料的粒度为10～80μm，稀土废渣的放射性线量当量为6～17.2mSv/y，国际放射性保护委员会(ICRP)规定的最高限量为50mSv/y。美国Luckey教授于1982年证实了：微量放射有利于人体健康。其它原料以下数据：粘结剂为固体含量的6％～7％、润滑油为固体含量的2％～4％、消泡剂为固体含量的0％～1％和水为固体含量的50％～60％。

微米多孔陶瓷板的制备方法：

在坯料成型过程中加入一定量的燃尽物，在烧结燃尽后留下平衡整齐的空隙，形成孔道制成微米多孔板。

具体制备步骤：

(1)造孔材料的制备

选择纤维网的网格间距为1.6～6mm，纤维直径为200μm以下。在纤维网上涂上一层含碳的粉体，其粉体为煅烧氧化铝Al₂O₃、氧化镁MgO或石英砂与20％～60％的碳粉和含水70％的聚乙烯醇溶液混合物。或将纤维网浸泡在含碳粉20％～60％的聚乙烯醇溶液中一段时间后，烘干。

(2)以稀土废渣为主原料，电气石、堇青石和高岭土等按其配方称量、混合，再加入原料的3％～7％的粘结剂、原料的1％～6％的桐油、原料的0～1％的消泡剂和原料的50％～60％的水搅拌成泥浆。

(3)分层压膜成型

首先将一定量的泥浆轧压在一定尺寸的模具里，加压成2.5～3mm的厚度，然后在其上面压入尺寸大小与压模尺寸大小相同的纤维网，同样的方法在其网上再加入一定量的泥浆再次加压成2.5～3mm的厚度。用这种方式多次层压，最后形成含有多层造孔纤维网的的陶瓷板块坯体，坯体的四周用6mm左右的的泥浆加固。

(4)在烘干炉中或微波炉中干燥。

(5)切割、表面加工修整

根据板块尺寸要求切割，并进行表面修整。修整后，为了防止在高温下因固相表面熔融而堵塞微孔，在其通气孔表面粉刷一层含碳的粉体，其粉体为煅烧氧化铝Al₂O₃、氧化镁MgO或石英砂与20％～60％的碳粉和含水70％的聚乙烯醇溶液混合物，当坯体烧结后刷洗形成贯通直孔。

(6)排塑与烧结

陶瓷坯体中的纤维网在烧结的第一阶段(120～600℃)被排塑。

在常温到600℃之间，升温速度为30～40℃/h；当温度大于600℃时，升温速度为50～100℃/h，在1200℃时保温1～2小时。用电气石原料时烧结温度不能超过850℃。

(7)刷洗、检验

贯穿直孔均匀、孔径60～200μm、气孔率＜20％、抗压强度10Mpa以上，负离子产率500～5000个/cm³。

本发明和已有技术相比所具有的有益效果：

(1)用稀土废渣为主原料，解决了部分稀土废渣的利用问题；(2)只需要简单的设备，易于操作，工艺简单，制造成本低；(3)孔径小，气孔率小(即溶重大)，强度大，单位体积的辐射强度高；(4)在活化水、活化油及节能等方面有广泛的应用前景。

具体实施方式

实施方式1  微米多孔复合稀土板

制造孔径为100μm，含气孔的面积为40×40mm、厚20mm的多孔陶瓷板。其制造工艺如下：

①制备造孔材料：选用纤维网，网格为2×2mm，纤维直径为160μm，切成40×20mm的纤维网共17片，在纤维网上涂一层氧化镁与40％的碳粉和含水70％的聚乙烯醇溶液混合物。

②按重量百分比称重：稀土废渣为60％，电气石为4％，堇青石为30％，高岭土为2％，将其混合后再加入原料的5％的粘结剂、原料的3％的桐油和原料的55％的水搅拌成泥浆。

③分层压膜成型：首先将泥浆轧压在40×20mm的模具里，加压成2.5mm的厚度，然后在其上面压入40×20mm的纤维网，同样的方法在其网上再加入一定量的泥浆再次加压成2.5mm的厚度。用这种方式多次层压，最后形成含有多层造孔纤维网的的陶瓷板块坯体，坯体的四周用6mm左右的的泥浆加固。

④在微波炉中干燥10分钟。

⑤经表面修整后，在其通气孔两个表面粉刷一层含碳粉30％的煅烧氧化铝和含水70％的聚乙烯醇溶液混合物。

⑥排塑与烧结：在常压烧结炉中从常温到600℃之间升温速度为40℃/h；600℃～1200℃之间升温速度为100℃/h，1200℃时保温2h。

⑦刷洗、检验

贯穿直孔均匀、气孔率为8％、抗压强度为12Mpa、密度为2.0g/cm³、产生负离子浓度为3000个/cm³以上，用于活化水、节能等方面。

实施方式2  微米多孔稀土板

制造孔径为100μm，含气孔的面积为40×40mm、厚20mm的多孔稀土板。其制造工艺如下：

①制备造孔材料：选用纤维网，网格为2×2mm，纤维直径为160μm，切成40×20mm的纤维网共17片，在纤维网上涂一层煅烧氧化铝与30％的碳粉和含水70％的聚乙烯醇溶液混合物。

②按重量百分比称重：稀土废渣为74％，堇青石为22％，高岭土为1％，将其混合后再加入原料的6％的粘结剂、原料的4％的桐油和原料的60％的水搅拌成泥浆。

③分层压膜成型：首先将泥浆轧压在40×20mm的模具里，加压成2.8mm的厚度，然后在其上面压入40×20mm的纤维网，同样的方法在其网上再加入一定量的泥浆再次加压成2.8mm的厚度。用这种方式多次层压，最后形成含有多层造孔纤维网的的陶瓷板块坯体，坯体的四周用6mm左右的的泥浆加固。

④在微波炉中干燥10分钟。

⑤经表面修整后，在其通气孔两个表面粉刷一层含碳粉30％的煅烧氧化铝和含水70％的聚乙烯醇溶液混合物。

⑥排塑与烧结：在常压烧结炉中从常温到600℃之间升温速度为40℃/h；600℃～1200℃之间升温速度为100℃/h，1200℃时保温2h。

⑦刷洗、检验

贯穿直孔均匀、气孔率为7％、抗压强度15Mpa、密度2.1g/cm³、产生负离子浓度6000个/cm³以上，可用于活化水、活化油、节能等方面。

实施方式3微米多孔电气石板

制造孔径为200μm，含气孔的面积为40×40mm、厚10mm的多孔电气石板。其制造工艺如下：

①制备造孔材料：选用纤维网，网格为2×2mm，纤维直径为200μm，切成40×60mm的纤维网共17片，在纤维网上涂一层石英砂与20％的碳粉和含水70％的聚乙烯醇溶液混合物。

②按重量百分比称重：稀土废渣为20％，电气石为76％，堇青石为1％，将其混合后再加入原料的3％的粘结剂、原料的1％的桐油和原料的50％的水搅拌成泥浆。

③分层压膜成型：首先将泥浆轧压在40×60mm的模具里，加压成3mm的厚度，然后在其上面压入40×60mm的纤维网，同样的方法在其网上再加入一定量的泥浆再次加压成3mm的厚度。用这种方式多次层压，最后形成含有多层造孔纤维网的的陶瓷板块坯体，坯体的四周用6mm左右的的泥浆加固。

④在微波炉中干燥10分钟。

⑤用切割机把坯体纵向切割成20mm左右厚的小板，经表面修整后，在其通气孔两个表面粉刷一层煅烧氧化镁MgO与20％碳粉和含水70％的聚乙烯醇溶液混合物。

⑥排塑与烧结：在常压烧结炉中从常温到600℃之间升温速度为30℃/h；600℃～800℃之间升温速度为50℃/h，800℃时保温2h。

⑦刷洗、检验

贯穿直孔均匀、气孔率为10％、抗压强度为10Mpa、密度为1.6g/cm³、产生负离子浓度600个/cm³以上，用于微电解水等方面，通过微米多孔陶瓷板的水呈弱碱性，人们常称之为健康水。

Claims (7)

1.一种微米多孔陶瓷板，其特征在于，该多孔陶瓷板由造孔材料和泥浆分层造孔成型烧结而成，所述的造孔材料为尼龙或任何一种可燃性纤维网，在纤维网上涂上一层含碳的粉体；所述的泥浆是稀土废渣为主原料，与电气石、堇青石和高岭土，按配方的重量百分比称量、混合，加入粘结剂、桐油和水搅拌而成；

按重量百分比，泥浆的配方：

稀土废渣((Ce，La，Na)₂O₃的含量≥4％，ThO₂含量0.6％～1.8％)      20～80

电气石Na(Mg，Fe…)Al₆B₃Si₆O₂₇(OH)₄                            0～76

堇青石2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂                                       0～30

高岭土Al₂O₃                                                       0～2

石英SiO₂                                                           0～4

玻璃粉                                                              0～3

2.根据权利要求1所述的微米多孔陶瓷板，其特征在于，该多孔板选用原料的粒度为10～80μm，稀土废渣的放射性线量当量为6～17.2mSv/y。

3.根据权利要求1所述的微米多孔陶瓷板，其特征在于，纤维网的网格间距为1.6～6mm，纤维直径为200μm以下。

4.根据权利要求1所述的微米多孔陶瓷板，其特征在于，在纤维网上涂的一层煅烧氧化铝Al₂O₃、氧化镁MgO或石英砂与20％～60％的碳粉和含水70％的聚乙烯醇溶液混合物。

5.根据权利要求1所述的微米多孔陶瓷板，其特征在于，该陶瓷板具有均匀的贯穿直孔、孔径60～200μm、气孔率＜20％、抗压强度10Mpa以上，负离子产率500～5000个/cm³。

6.一种微米多孔陶瓷板的制备方法，该方法依次包括：陶瓷板块坯体的制备、在烘干炉中或微波炉中干燥、切割、表面加工修整、排塑与烧结、刷洗、检验，其特征在于，陶瓷板块坯体的制备步骤：

第一步，造孔材料的制备

选择纤维网的网格间距为1.6～6mm，纤维直径为200μm以下。

在纤维网上涂上一层含碳的粉体，其粉体为煅烧氧化铝Al₂O₃、氧化镁MgO或石英砂与20％～60％的碳粉和含水70％的聚乙烯醇溶液混合物。

第二步，泥浆的制备

以稀土废渣为主原料，电气石、堇青石和高岭土按权利要求1中的配方称量、混合，再加入原料的3％～7％的粘结剂、原料的1％～6％的桐油、原料的0～1％的消泡剂和原料的50％～60％的水搅拌成泥浆。

第三步，分层压膜成型

首先将一定量的泥浆轧压在一定尺寸的模具里，加压成2.5～3mm的厚度，然后在其上面压入尺寸大小与压模尺寸大小相同的纤维网，同样的方法在其网上再加入一定量的泥浆再次加压成2.5～3mm的厚度，用这种方式多次层压，最后形成含有多层造孔纤维网的的陶瓷板块坯体，坯体的四周用6mm左右的的泥浆加固。

7.根据权利要求6所述微米多孔陶瓷板的制备方法，其特征在于，对切割成的板块进行表面修整后，在其通气孔两个表面粉刷一层含碳的粉体：煅烧氧化铝Al₂O₃、氧化镁MgO或石英砂与20％～60％的碳粉和含水70％的聚乙烯醇溶液混合物。