[发明专利]一种高孔隙率多孔陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及多孔陶瓷及其制备方法。

背景技术

多孔陶瓷具有密度小、比表面积大和热导率低等优点，被广泛应用于汽车尾气及工业废水的处理、熔融金属过滤、催化剂载体、隔热材料、隔音材料、生物材料等多个领域。多孔陶瓷的制备途径主要分为复型技术、牺牲模板法和直接发泡技术三种。不同的加工方法决定多孔陶瓷不同的显微结构与性能。因而，采用何种制备途径强烈依赖于最终产品的结构、工艺过程的成本和可操作性。

与复型技术和牺牲模板法相比，直接发泡技术避免了模板的选取、涂覆和消除等过程，更适合于高孔隙率陶瓷的制造。在直接发泡过程中通常需要将气体引入到浆料中，然而，气体的加入增加了整个系统的自由能，泡沫经历连续的Ostwald熟化和气泡的合并。这些失稳过程增加了气泡的不均匀度，最终导致多孔陶瓷的性质不均。因此，湿法发泡技术最关键的问题之一是泡沫的稳定性问题。

常用于解决泡沫稳定性问题的手段是在浆料中添加具有长链的两性分子或生物分子作为表面活性剂，如脂类物质、蛋白质等。这些分子吸附于气泡表面，降低气-液界面能，减少气泡合并和气泡的不均匀化。但是，表面活性剂在气-液界面的吸附能低，不能长时间阻碍泡沫的失稳。通常，在几分钟到几小时内，稳定的泡沫状态将被破坏。因此，在泡沫失稳前需要固化泡沫。如毛小建等人[中国专利CN 1736955A]利用淀粉糊化的方式固定机械搅拌产生的泡沫，最终得到孔隙率为70～90％的多孔陶瓷。

近年来，采用表面改性的固体颗粒吸附于气-液界面展示了高效的泡沫稳定性。该方法使用短链两性分子的亲水基吸附于陶瓷颗粒表面，而使两性分子的疏水基与水分子接触，通过调节两性分子的浓度改变陶瓷颗粒的疏水性。这种高稳定泡沫的取得依赖于表面改性颗粒在气-液界面高的吸附性，阻碍了相邻气泡的合并。同时，颗粒凝结形成的网络覆盖于气泡表面，抑制气泡的收缩和膨胀。尽管使用这种工艺，有机物添加剂的含量低，对环境友好，但是该方法需要严格的控制浆料pH值，而且浆料的发泡情况受到其浓度和颗粒尺寸的限制。对于200nm的颗粒，浆料的浓度需要超过15vol.％，如若采用更低浓度的浆料发泡，则颗粒的尺寸需进一步减小，此外浆料发泡与泡沫固化过程需分别进行，操作复杂[Angewandte Chemie International Edition 45(2006)：3526-3530]。

发明内容

本发明要解决现有直接发泡技术制备高孔隙率多孔陶瓷中，浆料发泡和泡沫固化过程相互分离及制备工艺复杂的问题，而提供一种高孔隙率多孔陶瓷及其制备方法。

本发明一种高孔隙率多孔陶瓷具有均匀的球状蜂窝孔结构单元，孔壁以多孔窗口相互连通，孔隙率P满足90％＜P＜100％。

上述高孔隙率多孔陶瓷的制备方法按以下步骤进行：

一、按质量百分比分别称取45％～70％的亚微米陶瓷粉、0.9％～1.8％的粘结剂、0.5％～0.9％的分散剂和26.3％～53.6％的溶剂，混合后球磨，得到分散均匀的浆料；

二、将步骤一所得的浆料置于真空室中，真空除气10～20min；

三、将经步骤二处理后的浆料进行过冷点测试，得到过冷点为T1；

四、将经步骤二处理后的浆料降温至T₂，T₁+1℃≤T₂≤T₁+2℃，得到过冷的陶瓷浆料；

五、将步骤四得到的过冷的陶瓷浆料置于带有降压装置的封闭容器中，在0.5～1min内，将封闭容器内的压力降至400～10Pa，得到固化泡沫材料；

六、将步骤五得到的固化泡沫材料置于真空冷冻干燥器内干燥，得到干燥的多孔陶瓷素坯；

七、将步骤六得到的多孔陶瓷素坯放置在烧结炉中烧结，得到高孔隙率多孔陶瓷。

本发明的一种高孔隙率多孔陶瓷的制备方法，将浆料发泡与泡沫固化过程有机结合制备多孔陶瓷。其主要特征是采用亚微米陶瓷粉为原料，与粘结剂、分散剂和去离子水或甘油水溶液均匀混合；将制备的陶瓷浆料经真空除气后冷却至其过冷点附近；利用快速降低过冷浆料的外界压力，使溶解在浆料中的气体析出进行发泡，同时利用浆料中水的液气转变，使体系温度继续降低凝固而实现泡沫的固化，并通过真空干燥和烧结后获得多孔陶瓷。本发明通过控制步骤一中陶瓷浆料的固相含量、步骤四中的浆料温度和步骤五中的降压速率调节孔隙率的大小、孔的尺寸和分布。