[发明专利]一种多孔陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及无机非金属陶瓷领域，特别涉及一种多孔陶瓷及其制备方法。

背景技术

多孔陶瓷是一种经高温烧成，体内具有大量彼此相通或闭合气孔的陶瓷材料， 它具有化学稳定性好、耐腐蚀、耐高温、孔道分布均匀、发达的比表面积，良好的 透过性能和生物相容性等特点。因此，它被广泛用于化工、石油、冶炼、纺织、制 药、食品机械、水泥等领域。譬如污水净化、熔融金属及酸碱溶液的过滤分离、催 化剂载体等等。这类多孔陶瓷材料种类多，要求高，比如对于过滤材料，要求产品 开口气孔率高，孔径分布窄且为直通孔结构，对流体阻力小，透过性能好；而催化 剂载体要求产品孔道排列均匀，具有低流动阻力，高比表面积，短扩散路径。然而， 目前传统的成型制备方法已难以满足要求。如现使用的添加造孔剂法，气孔分布不 均匀；模板法虽然可以得到六方有序排列的孔道结构，但难以制备微米级孔径的多 孔陶瓷，且工艺复杂、成本高；而冷冻干燥法制备的多孔陶瓷不具有高度平行有序 排列的孔道结构；挤出成型法制备的多孔蜂窝陶瓷虽然具有均匀的显微结构和有序 排列的孔道结构，但难以制备较小孔径的多孔陶瓷，且对挤出物料的塑性要求较高。 这些都限制了多孔陶瓷的应用领域，是该材料发展中急需要解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多孔陶瓷及其制备方法，利用该制备方法提供的多 孔陶瓷开口气孔率高，强度高。

本发明提供的多孔陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

1)用海藻酸钠与陶瓷粉制备出固相含量为2％-30％浆料；

2)将步骤1)得到的浆料注入模具，喷覆固化剂，脱模后得到湿坯A；

3)将步骤2)得到的湿坯A在酸性环境下脱水，得到湿坯B；

4)将步骤3)得到的湿坯B进行溶剂置换，得到湿坯C；

5)将步骤4)得到的湿坯C进行干燥、烧结，得到多孔陶瓷。

上述步骤1)中制备浆料的方法包括以下步骤：将海藻酸钠溶于水，形成浓度 为0.5％-3％的海藻酸钠溶液，然后与所述陶瓷粉或陶瓷粉的悬浮液混合，球磨得到 所述浆料；所述海藻酸钠溶液与陶瓷粉的质量之比为(7-49)∶(1-3)；所述陶瓷 粉是氧化铝(Al₂O₃)、氧化锆(ZrO₂)或羟基磷灰石(HAP)。

上述步骤2)中，喷覆固化剂的方法包括以下步骤：在所述浆料的表面均匀喷 施固化剂，待固化剂覆盖住所述的浆料表面后，将剩余固化剂充入模具。所述固化 剂与浆料的质量之比为1∶(3-6)。固化剂的用量只要达到本领域中的过量均可。

在一个实施例中，所述固化剂是浓度为0.5mol/L-2mol/L的氯化钙水溶液、氯 化铝水溶液和/或硝酸钙水溶液。由于要保证整个工艺的环保特性，所以别的一些可 用的离子，如Cu²⁺和Ba²⁺没有采用。

当浆料表面均匀喷覆固化剂(以Ca²⁺为例)后会发生如下反应形成一层“初始 薄膜”：

Ca²⁺+2NaAlg→Ca(Alg)₂+2Na⁺

这层膜是由反应生成的无定形的海藻酸钙组成，结构比较致密，只允许低分子 量的电解质透过，Ca²⁺透过“初始薄膜”与浆料发生反应。初始薄膜下一定厚度内孔 隙结构分布不均匀，这层结构的厚度占整个湿坯厚度的比例很小。

海藻酸钠高分子链在Ca²⁺的作用下凝结在一起，形成“蛋盒”(egg-box)状结构， 如图1所示，宏观表现为凝胶体积收缩。由于透过初始薄膜向下渗透的Ca²⁺分布均 匀，所以离子凝胶反应发生后形成分布均匀且形状大小一致的孔结构。凝胶形成后， 多余的水分释放到孔道结构中，固相颗粒随着海藻酸钠一起固化形成孔壁。随着 Ca²⁺在水中的进一步渗透扩散，于是在渗透方向上形成均匀的管状孔道结构。