[发明专利]连续碳纤维增强磷酸盐基多孔陶瓷管的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种连续碳纤维增强磷酸盐基多孔陶瓷管的制备方法，属于无机复合材料技术领域。

背景技术

多孔陶瓷是一类含有较多孔洞的无机材料，利用材料中孔洞结构与材质本身结合而具有的性质来达到所需要的各种功能，主要用于高温条件下固-液、气-固等流体的分离、净化等。多孔陶瓷不仅具有陶瓷基体的优良性能，而且还具有大量的气孔、高的比表面积、可以调节的孔径分布，配合基体材料的光、电、热、磁等物理性能和力学性能在化工、环保、能源、冶金、电子等领域作为过滤材料、催化剂载体、吸声材料、保温隔热材料、生物材料及红外燃烧器等得到了广泛的应用。

目前广泛应用的管状多孔陶瓷制品大部分是由传统方法制备的，其制备方法有挤压成型，颗粒堆积法，有机泡沫浸渍法，添加造孔剂等，表1列出了各种工艺的比较。

表1多孔陶瓷传统制备工艺表

近年来科技的发展对多孔陶瓷制品也提出了新的要求-更高的工作温度及耐强腐蚀环境、更高的孔隙率、更大的比表面积、合理的孔径分布、低的成本以及其它新的功能，因此一种利用碳纤维制备多孔陶瓷管的新工艺也就应运而生。它主要是利用纤维的纺织特征或纤细形态来相互架构成孔洞。碳纤维管状预制体可以采用三维、2.5维和二维编织工艺制成。但三维、2.5维编织体制成的多孔管存在编织技术难度大、成本高、复合后气孔率低、透气阻力大等弊端。而二维编织具有技术成熟、成本低、复合后材料的透气性好、力学性能佳等优点。

本发明选用二维连续碳纤维作为增强体，以套装缝合工艺制备纤维预制体，然后通过料浆真空浸渍成型、干燥固化、控制膜层孔径及热处理等工序，制成性能优良的连续纤维编织多孔陶瓷管。热处理工艺环节中采用的是传统窑炉作为热处理设备，通过密封模具解决了碳纤维对烧成设备要求严格的制约，便于实现大尺寸制品的批量化及工程化生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纤维增强磷酸盐基多孔陶瓷管的制备方法，制备的多孔陶瓷管在保证高气孔率的前提下具有较高的力学性能，同时还具有良好的抗热震性能，1200℃～常温水反复10次无裂纹。

所述的连续碳纤维增强磷酸盐基多孔陶瓷管的制备方法，包括以下步骤：

(1)多孔管状纤维预制体的制备：对二维连续编织碳纤维管经套装工艺制备出多孔管状纤维预制体；

(2)浸渍料浆制备：将磷酸盐胶粘剂、陶瓷填料和去离子水按照10∶1～5∶3～15配置后，进行球磨，磷酸盐胶粘剂以ml计，陶瓷填料以g计，去离子水以ml计；

(3)真空渗积、固化成型：将步骤(1)制得的多孔管状纤维预制体置于步骤(2)制备的浸渍料浆中，进行真空渗积后移至恒温干燥箱固化、脱模；

(4)热处理：将步骤(3)制得的材料装于耐高温密封容器中，在常压传统窑炉中于600～1000℃进行热处理制得。

步骤(2)所述的磷酸盐胶粘剂为磷酸溶液和氢氧化铝按照P/Al摩尔比为1～3∶1配置，于80～100℃加热搅拌制得。

步骤(2)所述的陶瓷填料为烧成温度1150～1250℃的日用陶瓷料、电瓷料或建筑卫生陶瓷料中的一种。

步骤(2)所述的球磨时间2～6h，陶瓷填料与研磨介质玛瑙球的质量比1∶2～4。

步骤(3)所述的真空渗积工艺中真空度-0.06～-0.1MPa，真空渗积时间20～60分钟，固化温度120～160℃。

步骤(3)所述的真空渗积工艺即为真空浸渍工艺。

如果实际需要的孔径较小，可以对步骤(3)真空渗积、固化成型的材料进行表面孔径调节，所述的表面孔径调节工艺如下：制备涂膜料浆，将涂膜料浆喷涂在固化、脱模后的材料表面，于室温干燥，然后对材料表面进行处理。即对材料表面进行打磨，保证表面的平整度。

所述的涂膜料浆的喷涂厚度为0.15～0.2mm。

所述的涂膜料浆为陶瓷填料、无水乙醇和造孔剂按照100∶80～200∶3～45进行配置，经球磨制得，陶瓷填料以g计，无水乙醇以ml计，造孔剂以g计，其中陶瓷填料为烧成温度1150～1250℃的日用陶瓷料、电瓷料或建筑卫生陶瓷料中的一种。所述的球磨时间为10～30min，陶瓷填料和造孔剂的质量与研磨介质玛瑙球的质量比值为1∶4～10。

所述的造孔剂为甲基纤维素、木碳粉或尿素中的一种。

所述的热处理工艺中，设备为常压状态下的传统窑炉，不锈钢模具要耐高温(≥1000℃)且密封性好，以保证热处理过程中碳纤维不被氧化，根据需要可适当内置常规还原剂制造保护环境。