[發明專利]一種微米級蜂窩陶瓷及其孔徑和孔壁尺寸的調控方法

有效

• 申請號: 201310164617.2
• 申請日: 2013-05-07
• 公開（公告）號: CN103274704A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發明（設計）人: 楊金龍;馬寧;龍夢龍;席小慶
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C04B35/636
• 分類號: C04B35/636;C04B38/00;C04B35/10
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 薄觀玖

技術領域

本發明屬于無機非金屬材料制備方法技術領域，特別涉及一種微米級蜂窩陶瓷及其孔徑和孔壁尺寸的調控方法。

背景技術

蜂窩陶瓷具有平行貫通的孔隙結構，具有滲透壓高、幾何表面大、擴散距離短、有利于反應物的進入和生成物的排出并縮小反應器的體積等優點，加上陶瓷材料本身獨有的耐高溫、耐腐蝕、機械強度高和優良的抗熱震性等優點，特別適用于環境凈化和資源再利用的顆粒過濾器、氣體或化學傳感器、生物反應器，以及在諸如分離用過濾器、觸媒或吸收劑用載體等領域都可能具有廣泛的用途。

在蜂窩陶瓷的應用中，蜂窩陶瓷的孔分布、孔徑尺寸及孔壁厚度等是重要參數。目前，微米級孔徑蜂窩陶瓷的制備是蜂窩陶瓷研究的難點，而對微米級蜂窩陶瓷的孔分布、孔徑尺寸及孔壁厚度的調控還未有理想的方法，這大大限制了其應用效果及應用領域的拓展，因而尋找有效的微米級蜂窩陶瓷孔結構的調控方法是目前亟待解決的關鍵問題。

發明內容

針對現有技術不足，本發明提供了一種微米級蜂窩陶瓷及其孔徑和孔壁尺寸的調控方法。

一種調控微米級蜂窩陶瓷孔徑和孔壁尺寸的方法，該方法通過調節海藻酸鈉的種類和陶瓷粉體的含量，來調控蜂窩陶瓷的孔徑尺寸和孔壁厚度，具體為通過調節降低海藻酸鈉M/G值，來減小所制得的微米級蜂窩陶瓷的孔徑尺寸和孔壁厚度，以及增加單位面積的孔數目；通過增加海藻酸鈉的用量，來減小所制得的微米級蜂窩陶瓷的孔徑尺寸；通過增加陶瓷粉體的用量，來減小所制得的微米級蜂窩陶瓷的孔徑尺寸以及增加所制得的微米級蜂窩陶瓷的孔壁厚度；其具體步驟如下：

步驟一、將陶瓷粉體與水混合，加入海藻酸鈉作為調節劑，其中陶瓷粉體的質量分數為2%～25%，海藻酸鈉的質量分數為0.2%～3%，混合并球磨，制備出分散均勻的陶瓷漿料；

所述海藻酸鈉的基本組成結構單元為(1-4)-α-L-古羅糖醛酸，記為G單元，以及(1-4)-β-D-甘露糖醛酸，記為M單元；M/G為M單元和G單元的摩爾分數的比值，不同種類的海藻酸鈉為具有不同M/G值的海藻酸鈉，所述M/G值的調節范圍為0.5～1.2；

步驟二、將步驟一所得到的陶瓷漿料注入模具，漿料上表面噴涂固化劑固化，固化完成后，脫模，得到濕坯；

步驟三、將步驟二所得到的濕坯在酸性條件下置換金屬離子，然后溶劑置換，干燥后得到蜂窩陶瓷干坯；

步驟四、將步驟三所得到的蜂窩陶瓷干坯進行排膠、燒結后得到調控了孔徑和孔壁尺寸的微米級蜂窩陶瓷。

步驟一中所述陶瓷粉體為氧化鋁。

步驟二中所述模具的材質為致密橡膠、玻璃、塑料或聚四氟乙烯，模具四周預涂覆海藻酸鈉。

步驟二中所述固化劑為氯化鈣或氯化銅水溶液，其濃度為0.05mol/L～3mol/L，固化劑噴涂厚度為1～2cm，固化時間為12～60小時。

步驟三中所述濕坯在酸性條件下置換金屬離子，指在葡萄糖酸內酯、鹽酸或甲酸甲酯溶液中以氫離子置換凝膠中的金屬離子；其中，在葡萄糖酸內酯溶液中置換時，所述葡萄糖酸內酯溶液的濃度為0.5mol/L～3mol/L，溫度為60℃，時間為8～36小時；在鹽酸溶液中置換時，所述的鹽酸溶液的濃度為0.5mol/L～2.0mol/L，溫度為25℃，時間為4～12小時；在甲酸甲酯溶液中置換，所述的甲酸甲酯溶液的濃度為0.5mol/L～1.5mol/L，溫度為25℃，時間為8～16小時。

步驟三中所述溶劑置換指用有機溶劑置換濕坯中的水溶劑，所用的有機溶劑為乙醇或叔丁醇，置換時間為10～16小時，步驟三中所述的干燥是指將溶劑置換后的濕坯室溫干燥、冷凍干燥或者烘箱中60～80℃加熱干燥以得到干坯。

步驟四中所述排膠是指將陶瓷干坯在排膠爐內在600℃溫度下進行排膠，排膠時間為2小時。

步驟四中所述燒結是指將排膠后的干坯在窯爐內，在1200～1500℃溫度下進行燒結，燒結時間為2小時。

一種微米級蜂窩陶瓷，所述微米級蜂窩陶瓷是通過權利要求1～8任意一條權利要求所述方法所制備得到的，該蜂窩陶瓷具有均一有序排列的微米級直通孔，其孔徑為10～300μm，孔壁厚度為5～100μm，其總孔隙率為30%～80%，抗壓強度為30～130MPa。

本發明的有益效果為：