[发明专利]多相催化中的具有孔隙率梯度的陶瓷泡沫

说明书

本发明涉及包含陶瓷或金属泡沫的构造，其特征在于所述泡沫具有至少一个从10到90％的连续和/或不连续的轴向和/或径向孔隙率梯度、和2ppi至60ppi的孔径，且特征在于该构造具有下述微结构：包括0.1至30平方米/克的比表面积、100纳米至20微米的粒度和高于95％的骨架致密化。

本发明教导的获得构造的一种方法可基于制备具有连续和/或不连续孔隙率梯度的陶瓷泡沫载体，包括：选择至少一种聚合海绵、用陶瓷浆浸渍该聚合海绵、将所述经过浸渍的海绵干燥、使包括该聚合海绵的有机物热解、和烧结，且特征在于实施了预先步骤以获得连续和/或不连续的孔隙率梯度。

多孔陶瓷具有使它们成为各种用途(例如过滤膜、传感器、陶瓷-金属密封件、生物材料、能量节约、绝热或催化)的优秀候选物的物理-化学性质，无论是热稳定性、化学稳定性、生物相容性还是机械强度。由于它们的开孔性，这些材料特别因它们的低密度、它们的高交换面积和它们的高渗透性而被使用。

在陶瓷中制造孔隙的技术有：

-陶瓷粒子的不完全烧结；

-在烧结前通过该材料的乳状液引入孔隙；

-使用在烧结前除去的成孔剂；

-成型操作，如挤出、注射成型、快速原型法；和

-使用陶瓷纤维。

在Roy W.Rice，″Porosity of ceramics″，Marcel Dekker，1998，第20-21页中列举了这些方法。

使用成孔剂是用于制造在孔隙的体积分数、形状和尺寸分布方面受控的材料的最适当的方法之一，这些成孔剂在烧结前例如通过热解除去，并因其离去而在陶瓷中留下孔隙。将微粒成孔剂(例如淀粉、胶乳、石墨或树脂)合并到陶瓷悬浮液或浆料中能够在致密陶瓷基质中获得均匀分布的开孔。根据成型方法——压缩、在模具中铸造、流延成型、挤出或注射成型，获得具有平面几何、管状几何或更复杂形状的几何的材料。

在公开号为US 4,777,153、US 4,883,497、US 5,762,737、US 5,846,664和US 5,902,429的美国专利和Lykfeldt等人和Apté等人的出版物(O.Lyckfeldt，E.Liden，R.Carlsson，″Processing of thermal insulationmaterials with controlled porosity″，Low Expansion Materials，第217-229页；S.F.Corbin，P.S.Apté，J.Am.Ceram.Soc，82，7，1999，第1693-1701页)中公开了将成孔粒子合并到陶瓷悬浮液中的这种技术的几种实施方案。Apté等人特别描述了使用含成孔粒子的陶瓷悬浮液的流延成型和该带材的热压以在烧结后获得具有不连续孔隙率梯度的多孔材料的方法。

US 4,780,437公开了通过用陶瓷悬浮液浸渗可热解成孔纤维绒来制备薄多孔材料的方法。通过该方法获得的材料具有取向的各向异性孔隙。

FR 2,817,860公开了制备具有受控表面孔隙率梯度的薄陶瓷材料的方法，包括(A)用陶瓷悬浮液浸渗具有受控厚度的多孔成孔基底；(B)蒸发溶剂；(C)包括除去成孔剂和各种有机添加剂的步骤，和(D)烧结步骤。

另一方面，FR 2,817,860教导用陶瓷悬浮液浸渗聚合物泡沫以获得具有显著开孔率的松密度陶瓷。

在多相催化反应器(尤其用于吸热反应，例如蒸汽重整、干重整等)的情况下，床的温度直接影响该方法的性能。收率与催化床的温度直接相关。因此，需要从容器壁到催化床中心的最佳传热(以使催化床内的热损失最小化的方式)。

因此，问题在于提供可进行良好传热的构造。

本发明的一个解决方案是包含陶瓷或金属泡沫的构造，其特征在于所述泡沫具有至少一个从10到90％的连续和/或不连续的轴向和/或径向孔隙率梯度、和2ppi至60ppi的孔径，且特征在于所述构造具有下述微结构：包括0.1至30平方米/克的比表面积、100纳米至20微米的粒度和高于95％的骨架致密化。

优选地，所述构造本身是自立式催化活性床，或是可在其上沉积活性催化层的载体。

本发明的另一实施方案是制备陶瓷泡沫的方法，所述陶瓷泡沫具有至少一个从10到90％的连续和/或不连续的轴向和/或径向孔隙率梯度、和2ppi至60ppi的孔径，该方法包括下述相继的步骤：

a)选择至少一种聚合海绵，其具有从10到90％的连续和/或不连续孔隙率梯度、以及2ppi至60ppi的孔径，