[發明專利]一種具有孔隙率連續梯度的多孔材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201710382790.8
• 申請日: 2017-05-26
• 公開（公告）號: CN107200583B
• 公開（公告）日: 2019-11-08
• 發明（設計）人: 劉強;葉楓;高燁;華鑫源;張海礁;張標
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: C04B35/563
• 分類號: C04B35/563;C04B35/584;C04B38/00;B28B1/00;B22F3/00;B33Y10/00;B33Y70/00
• 代理公司: 北京隆源天恒知識產權代理事務所(普通合伙) 11473
• 代理人: 閆冬

本發明提供一種具有孔隙率連續梯度的多孔材料的制備方法，包括以下步驟：(1)將體積分數為50?70％的粉體原料與體積分數為30?50％的去離子水混合，然后加入溶膠，球磨得到漿料A；(2)配置與步驟(1)中相同的水溶膠B；(3)每隔一定時間，向漿料A中添加水溶膠B得到混合漿料，維持所述混合漿料中的固相含量在0?70vol％范圍內連續變化，每次添加完水溶膠B后，輸入到3D打印機中打印，保持噴嘴處的所述混合漿料固化為凝膠；(4)將形成的凝膠沿梯度方向進行冷凍處理，燒結后形成孔隙率連續梯度的多孔材料。本發明的有益效果在于，工藝簡單、穩定性和重復性較好，且通過連續調節漿料固相含量，并結合3D打印，形成固含量連續梯度變化的凝膠。

技術領域

本發明涉及多孔材料的制備方法，具體涉及一種具有孔隙率連續梯度的多孔材料及其制備方法。

背景技術

具有孔隙率梯度的多孔材料是屬于功能梯度材料的重要一員，其主要特征是氣孔率隨著試樣尺寸作規則變化。梯度多孔材料最早用于過濾、氣體分離、除塵等領域，與傳統的具有均勻孔隙率的多孔材料相比，能最大限度地提高效率和節省能源消耗。在該過濾分離領域，隨著過濾精度的提高，要求多孔材料的孔徑越來越小，然而這導致流體透過材料的阻力增大，降低了其透過率。傳統的多孔材料已經不能滿足高精度過濾分離的需求，而孔隙度沿厚度方向呈梯度變化的多孔材料能夠很好地解決提高過濾精度與提高透過率之間的矛盾。從流體動力學角度分析，連續孔結構阻力比突變梯度孔結構的阻力小，因此，連續變化梯度孔結構是更好的梯度孔結構，連續梯度的多孔材料具有更廣泛的應用前景。隨著梯度多孔材料研究的發展，其用途越來越廣泛，如應用在復合材料多孔預制體、催化劑載體、傳感器以及人造骨等仿生材料領域。

梯度多孔材料的制備方法較多，主要有顆粒級配堆積工藝、噴涂工藝、有機泡沫浸漬工藝、多孔基體化學沉積工藝、發泡工藝、共沉降方法、離心法以及壓濾成型等工藝。然而，現有的制備方法還存在著以下幾個主要問題：1、大部分傳統方法制備的梯度材料具有階梯氣孔率梯度，難以實現孔隙率的連續梯度變化，從而不能最大化地發揮梯度多孔材料的功能；2、孔隙率梯度可調節范圍較小，不能實現低孔隙率(0％)到高孔隙率(80％以上)的不同梯度形式變化，限制了其應用范圍；3、還沒有一種具有普適的制備方法，能夠滿足金屬、陶瓷等不同梯度多孔材料的制備；4、傳統方法工藝復雜，生產工藝穩定性和可再現性差，多孔材料孔結構難以控制，難以實現批量化生產。鑒于此，急需開發一種孔隙率梯度可調節范圍大、通用性好的制備孔隙率連續梯度的多孔材料的方法。

鑒于上述缺陷，本發明創作者經過長時間的研究和實踐終于獲得了本發明。

發明內容

為解決上述問題，本發明采用的技術方案在于，一方面提供一種具有孔隙率連續梯度的多孔材料的制備方法，包括以下步驟：(1)將體積分數為50-70％的粉體原料與體積分數為30-50％的去離子水混合，然后加入溶膠，在其溶膠溫度范圍內球磨得到漿料A，其中，所述溶膠在一定條件下能夠轉變為凝膠，所述溶膠與所述去離子水的質量比為0.01-0.15:1；(2)配置與所述步驟(1)中相同的水溶膠B，其組成中的溶膠與去離子水的質量比與所述步驟(1)中的比例相同；(3)每隔一定時間，向所述漿料A中添加所述水溶膠B得到混合漿料，維持所述混合漿料中的固相含量在0-70vol％范圍內連續變化，每次添加完所述水溶膠B后，將所述混合漿料輸入到3D打印機中打印，保持所述3D打印機的噴嘴處的所述混合漿料固化為凝膠；(4)將所述步驟(3)形成的凝膠沿固相含量梯度方向進行冷凍處理，冷凍溫度為-196-0℃，然后進行冷凍干燥，獲得多孔材料坯體，將其燒結后形成孔隙率連續梯度的多孔材料。

進一步，所述粉體原料包括Ti、Zr、Al、Si、Cu、Ag、Fe、Ni或Mo中任意一種不與水劇烈反應的金屬粉體或陶瓷粉體或有機材料粉體。

進一步，所述步驟(1)中的溶膠為溫度控制的溶膠，其在低溫下能夠轉變為凝膠，其為明膠、瓊脂糖、殼聚糖與明膠的混合物或海藻酸鈉與明膠的混合物中的任意一種。