[发明专利]蛋白发泡法制备泡沫陶瓷用固化成型模具及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种泡沫陶瓷制备模具及制备方法，尤其涉及到一种蛋白发泡法制备泡沫陶瓷用固化成型模具及制备方法。

背景技术

泡沫陶瓷由于具有低密度、低热导、比表面积大、耐高温、耐腐蚀等优点而被广泛用于过滤、热工、隔热、吸音、电子、光电、传感、环境生物及化学等领域，可用作污水处理材料、熔融金属过滤材料、催化剂载体、生物功能材料、隔音吸声材料以及隔热材料等。然而由于泡沫陶瓷的制备工艺复杂，制备成本较高，导致泡沫陶瓷在实际中的应用远远满足不了人们的预期，因此，使用低成本技术制备出孔径分布均匀、力学性能优良、孔隙率高的泡沫陶瓷成为当前的迫切需求。

目前常用的泡沫陶瓷制备方法主要有添加造孔剂法、有机泡沫浸渍法和发泡法。添加造孔剂法可以通过控制造孔剂的添加量和粒径进而控制泡沫陶瓷孔隙率和孔径，其工艺过程复杂且制备高孔隙率的泡沫陶瓷工艺难度较大。有机泡沫浸渍法能制备出孔隙率较高且为开孔的泡沫陶瓷，但是因制品的力学性能较差而限制了其应用。利用生物高分子如蛋白质、淀粉等发泡，不仅可以制备出力学性能优异的高孔隙率泡沫陶瓷，而且还可以通过控制发泡和固化工艺进而控制泡沫陶瓷的孔隙率和孔径分布。

蛋白质是一种生物高分子材料，在水溶液中表现出表面活性剂的一些特殊性质，能吸附在气-液表面从而提高气泡在水溶液中的稳定性获得泡沫浆料。当泡沫浆料受热或者pH发生变化时，蛋白质会发生不可逆变性，形成三维网络，从而固定泡沫浆料的孔隙结构。蛋白发泡所使用的原料无毒、来源广泛、成本低且对环境的污染小，是一种理想的泡沫陶瓷制备方法。

蛋白发泡法制备泡沫陶瓷的过程中，固化工艺是其中最关键、最难控制的环节，它不仅决定着坯体的成型性，还在很大程度上决定制品的孔隙结构和孔径分布。国内外大量研究表明，浆料中气泡内外的压力差是气泡长大的驱动力，控制的气泡的大小。目前常用的固化工艺中浆料固化气压不可控，从而导致坯体开裂和制品的孔径分布不均匀。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、成本低且易于控制的蛋白发泡法制备泡沫陶瓷用固化成型模具及制备方法。

为解决上述问题，本发明提出的技术方案为蛋白发泡法制备泡沫陶瓷用固化成型模具，所述固化成型模具包括模具本体和模具盖，所述模具本体与模具盖密封连接并形成中空的模腔，所述模具盖上设有气压控制阀门，所述气压控制阀门上设有连通模腔与外界的气流通道，所述气压控制阀门的启闭由模腔与外界的大气压差进行调节。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种蛋白发泡制备泡沫陶瓷的方法，包括以下步骤：

（1）制备泡沫浆料：将氮化硅粉、氧化铈、氧化铝和D3005分散剂混合溶于水中，球磨20h～30h，然后向球磨后的混合组分中加入蛋清蛋白粉，继续球磨1h～4h得泡沫浆料；

（2）固化成型：将所述泡沫浆料注入一固化成型模具中，将固化成型模具置于水浴中，使所述泡沫浆料在水浴中固化，保温，然后将所述装有泡沫浆料的固化成型模具随水浴一起自然冷却到室温，固化成型后所述泡沫浆料形成坯体； 

（3）坯体干燥：将装有所述坯体的所述固化成型模具在室温下静置于空气中，随后将所述坯体从模具中取出进行干燥处理，得到泡沫陶瓷坯体；

（4）蛋白质烧除：将泡沫陶瓷坯体升温至蛋白质烧除温度，保温；

（5）陶瓷烧结：将经过步骤（4）的泡沫陶瓷坯体在氮气保护下进行升温烧结，保温，得到泡沫陶瓷。

上述方法的步骤（1）中，所述氮化硅粉相对于水的添加量优选为25vol.%～60vol.%，所述氧化铈、氧化铝相对于氮化硅粉的添加量分别优选为2wt.%～6wt.%、0.5wt.%～2wt.%，所述D3005分散剂相对于固相成分的添加量为0.2wt.%～0.6wt.%，所述蛋清蛋白粉的加入量为所述球磨后的混合组分的4wt.%～10wt.%。

上述方法的步骤（2）中，所述水浴温度优选为70℃～100℃，所述保温时间优选为1h～3h。

优选的，上述方法的步骤（3）中，所述坯体在室温下静置于空气中的时间为10h～24h，所述干燥处理的温度为40℃～60℃，处理时间为4h～10h。

优选的，上述方法的步骤（4）中，所述泡沫陶瓷坯体升温的速率为1℃/min ～5℃/min，所述蛋白质烧除温度为500℃～600℃，所述保温时间为1h～3h。

优选的，上述步骤（5）中，所述烧结采用的温度为1600℃～1800℃，所述步骤（5）中所述升温的速率为20℃/min～45℃/min，所述保温的时间为0.5h～3h。