[发明专利]一种蜂窝状陶瓷材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种蜂窝状陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：A)将粘结剂、陶瓷前驱体和水混合，得到分散液；B)将所述分散液进行取向冷冻；C)将步骤B)得到的块材与交联剂、不良溶剂进行溶剂置换、原位交联，得到的块材烘干后高温烧结，得到蜂窝状陶瓷材料。本发明提供了一种工艺简单、成本低廉的常压干燥制备蜂窝状陶瓷材料的方法，利用该方法同样可以得到性能优异、具有微纳米级孔道的蜂窝状陶瓷材料，且蜂窝状陶瓷的结构、密度和力学强度均可调控。

技术领域

本发明涉及化学建材技术领域，尤其涉及一种蜂窝状陶瓷材料的制备方法。

背景技术

蜂窝材料是一类各向异性的多孔复合材料，其内部往往具有形状相似的孔道结构，天然的木头因为具有取向孔道也可理想化成为蜂窝材料。这类材料在工程上有着广泛的应用领域和巨大的应用前景，渗透到国防军工、航空航天、交通运输、生物医学、建筑工程等各个领域。蜂窝陶瓷在轻质高强材料、催化剂载体以及热交换器方面发挥着极其重要的作用。目前工业上蜂窝陶瓷块材的孔径基本都在毫米级别，这对进一步拓展材料的使用范围、提高材料的性能，都是极大的限制。例如，孔径的减小有利于提高蜂窝陶瓷的抗热冲击性能，也有利于负载更多的催化剂。因此，如何突破传统工业技术的限制，利用纳米技术制造出微米甚至纳米尺度的蜂窝陶瓷块材，已经成为人们亟待解决的问题。

取向冷冻技术作为一种制备微纳米尺度蜂窝状材料的简便技术手段，广泛应用于生物医学、仿生学和材料科学上。例如美国《美国陶瓷会志》(Journal of the AmericanCeramic Society,2001年84期230页)首次报道了一种利用取向冷冻技术，将氧化铝粉末和分散剂混合浆料取向冻干，高温1550℃烧结，制备了～20μm蜂窝孔道、孔隙率36％的氧化铝陶瓷材料。最近，美国《科学进展》(Science Advances，2018年4期eaat7233页)报道了一种利用取向冷冻，将海藻酸钠和陶瓷混合溶液取向冷冻，经过冷冻干燥、热固化，制备轻而强蜂窝状陶瓷材料的方法。

上述冷冻干燥又称升华干燥，是将含水物料冷冻到冰点以下，使水转变为冰，然后在较高真空下将冰转变为蒸气而除去的干燥方法。该方法干燥所得材料虽然几乎不变形，但是成本太高，最主要的成本来源于冷冻干燥，不仅需要专业昂贵的机器、耗时耗能的冻干过程，而且样品的尺寸受机器大小的影响，需要密闭的生产环境，难以实现连续、低成本、规模化生产，只能生产应用于高附加值的行业(如食品、制药业)。因此，这种取向冷冻铸造蜂窝状孔道的方法虽然简单，但是后续的冷冻干燥过程耗时耗能，同时由于处于密封环境，难以实现工业上的连续化生产，对后续拓展产品类型、提高产能，都是极大的限制。取向冷冻制备陶瓷材料已经发展了数十年，但是还未见有通用的常压干燥技术的报道。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种蜂窝状陶瓷材料的制备方法，本申请提供的蜂窝状陶瓷材料的制备方法条件温和、方法简单，可处于敞开系统中连续生产，且可得到性能优异、具有微纳米级孔道的蜂窝状陶瓷材料。

有鉴于此，本申请提供了一种蜂窝状陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

A)将粘结剂、陶瓷前驱体和水混合，得到分散液；

B)将所述分散液进行取向冷冻；

C)将步骤B)得到的块材与交联剂、不良溶剂进行溶剂置换、原位交联，得到的块材烘干后高温烧结，得到蜂窝状陶瓷材料。

优选的，所述粘结剂、陶瓷前驱体和水的质量比为(0.5～4)：(1～50)：(50～100)。

优选的，所述粘结剂选自海藻酸钠、羟甲基纤维素钠、聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯醇中的一种或多种，所述陶瓷前驱体选自氧化铝、氧化锆、高岭土、羟基磷灰石、氧化硅和偏硅酸钠中的一种或多种。

优选的，步骤B)中，所述取向冷冻的温度为-10～-50℃。