[发明专利]一种采用引发剂在YSZ颗粒表面进行原位聚合形成高固相含量的水系流延浆料制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及在微米级、亚微米级及纳米级的YSZ颗粒表面采用丙烯酸原位聚合的分散方式制备稳定、分散均匀的高固相含量的YSZ流延浆料及其薄层电解质的制备方法，属于平板型固体氧化物燃料电池(SOFC)领域。

背景技术

燃料电池中最有应用前景之一的是固体氧化物燃料电池(SOFC)。近年来世界各主要工业国在SOFC的关键材料、工艺过程和系统集成的研究与开发方面投入巨额资金并取得了重大的进展。平板型SOFC通常具有较高的电流密度和单位体积功率密度，可有效降低单位功率所需制备成本。固体氧化物燃料电池的电解质材料一般采用氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)为原料，YSZ致密烧结体是一种很好的高温离子传导材料，通过增大面积和减薄电解质层厚度到5μm～20μm左右，可以减少内电阻，并使其在中温下保持较高的氧离子电导，从而实现SOFC的中温化。平板型SOFC单电池中的薄层电解质的主要制备方法是流延法，目前普遍使用的为非水系流延。由于有机溶剂的大量使用，其有毒和易燃性造成了严重的环境污染。随着全球对环境保护的重视，水系流延取代非水系流延成为国内外研究的热点。以水取代有机溶剂，带来众多的科学和工艺问题尚未解决。对于纳米粉体较亚微米粉体无论非水基还是水基悬浮体，其固含量总是小10～20vol％左右，其主要原因是在介质中特别是在水介质中纳米颗粒间表面作用力极为复杂、作用力强、易团聚等；由于微米级、亚微米级 尤其是纳米级的颗粒的曲率大，而分散剂在溶液中一般以线团状形态存在，在粉体颗粒表面一些部位吸附线团状的分散剂分子后，使得相当部分的线团不易解开，这样不利于线团状的分散剂在颗粒表面的充分展开，于是分散剂分子有相当部分以链轨的构象形式吸附在颗粒表面，这不但使得其亲水基团难于稳定地吸附在颗粒表面的作用位点上，而且还增大了颗粒间的距离，从而造成固含量较低及浆料不稳定；另外，所购买的分散剂普遍存在分子量分布宽、针对性差的问题，很难满足不同颗粒尺寸的粉体需要不同分子量的分散剂的要求。因此开发新型高效分散剂和分散方式很有必要。本专利将在YSZ颗粒表面采用丙烯酸原位聚合，使粉体表面被聚合物包裹，形成一定的静电排斥和空间位阻作用，只有链轨构象而没有链环构象。将经丙烯酸表面聚合的YSZ颗粒与聚乙烯醇(线形分子)-B1070乳胶(球形)复合粘结剂、增塑剂聚乙二醇、溶剂水按一定的比例配制，可形成稳定、均匀、固相含量达到66vol％的流延浆料。由于YSZ颗粒表面的共聚物没有多余的链环和链尾与相邻颗粒发生桥连产生絮凝，有利于形成分散均匀、稳定的高固相含量浆料，这种新型高效的分散作用方式是制备稳定分散的高固相含量的浆料的关键所在。在陶瓷粉体的流延成型领域，本专利提出的在微米级、亚微米级及纳米级的YSZ颗粒表面采用丙烯酸原位聚合的分散方式，在理论上是迄今为止的最理想的一种分散方式。迄今为止尚没有一种商品化的分散剂可同时适用于微米级、亚微米级及纳米级的YSZ粉体。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明在环保型的水介质中，在引发剂的作用下使吸附在YSZ颗粒表面的丙烯酸单体分子沿着颗粒表面进行聚合，表面聚合物主要以链轨的方式分散吸附在YSZ颗粒表面，颗粒表面的聚合物没有多余的链环 和链尾与相邻颗粒发生桥连、絮凝，可形成稳定、分散均匀的高固相含量的流水系延浆料。该方法工艺简单、成本低廉，易实现大面积、大规模生产。

本发明包括配料、球磨、除气、流延、排塑、烧结过程，包括下述步骤：

(1)将氧化钇稳定的氧化锆粉体、丙烯酸单体、引发剂和水按一定的比例称量放入反应器中，充分搅拌均匀，在恒温水浴条件下进行表面聚合。

(2)将表面聚合的氧化钇稳定的氧化锆粉体(YSZ)粉体进行离心分离，用水洗涤。

(3)将洗涤过的经表面聚合的氧化钇稳定的氧化锆粉体(YSZ)粉体与聚乙烯醇-B1070乳胶复合粘结剂、聚乙二醇增塑剂及水按一定的比例称量，放入球磨罐中进行球磨；

(4)球磨混合浆料，除气，将浆料在流延机上进行成型，制成电解质素坯膜片；

(5)将氧化钇稳定的氧化锆粉体、NiO、淀粉造孔剂、调墨油和增塑剂按一定的比例称量，将其调匀，制成阳极生坯泥料；

(6)将阳极生坯泥料经轧膜成型工艺制备阳极生坯膜片。

(7)将电解质素坯膜片与阳极素坯膜片经热压叠层，制成阳极支撑型薄层电解质复合素坯膜片；

(8)将制得的阳极支撑型薄层电解质复合素坯膜片进行烧结，制成平整的阳极支撑型/薄层电解质复合材料半电池。