[發明專利]一種具有多放射狀微結構的多孔骨架及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202211082582.3
• 申請日: 2022-09-06
• 公開（公告）號: CN115611273A
• 公開（公告）日: 2023-01-17
• 發明（設計）人: 么依民;孫蓉;曾小亮;許建斌
• 申請（專利權）人: 中國科學院深圳先進技術研究院
• 主分類號: C01B32/198
• 分類號: C01B32/198;C04B35/622;C04B35/583;C04B38/00;B22F1/054;B22F1/14;B22F3/10;B01J20/20;B01J20/28;B01J20/30
• 代理公司: 北京市誠輝律師事務所 11430
• 代理人: 范盈

一種具有多放射狀微結構的多孔骨架及其制備方法和應用，屬于多孔材料技術領域。本發明多孔骨架的制備方法包括：將填料、粘結劑與水混合處理，得到填料混合物；將多放射狀取向成型裝置預先放入低溫制冷介質，將填料混合物加入到多放射狀取向成型裝置中，進行冷凍處理形成冰凍混合物，冷凍干燥處理得到多孔骨架前驅體；進行燒結熱處理，得到多孔骨架；進行切割、打磨處理，去除底部下方的凸起部分，得到具有多放射狀微結構的多孔骨架。本發明多孔骨架具有鮮明的多放射狀微結構，在保證有序三維傳旨網絡的同時顯著提高了結構的壓縮回彈性能，可作為導熱填料和吸附介質。本發明適用范圍廣、制備過程簡單、制備結構可控、反應條件相對溫和及產率高。

技術領域

本發明屬于多孔材料技術領域，具體涉及一種具有多放射狀微結構的多孔骨架及其制備方法和應用。

背景技術

多孔骨架因其低密度、高比表面積和高開孔率等特點，在吸附分離、隔熱、導熱、儲能、生物組織等領域受到廣泛的應用。微觀結構包括微結構形貌、骨架取向、孔徑分布及大小等參數都對多孔骨架的最終性能有很大影響，因此對多孔骨架的微觀結構進行設計與控制十分重要。

冷凍鑄造，也稱為冰模板法，是一種用途廣泛的技術，已廣泛應用于將陶瓷、金屬、聚合物、生物大分子和碳材料制成各類多孔材料。透過冷凍含有填料的混合物，冰晶在填料一側沿著溫度梯度凝固結凍，在這個過程中冰晶能夠重新分配填料的位置，從而有效地形成所需的多孔微結構。傳統冷凍鑄造主要得到兩種結構：垂直取向(低填料含量)和蜂窩狀(高填料含量)的微觀結構。上述兩種結構都具有明顯的劣勢：

(1)垂直取向結構在軸向方向上具有取向的微觀結構，通常受限于自身的各向異性。很多應用場景要求各向同性的多孔骨架，不僅需要在軸向方向上表現出良好的傳質性能，在徑向方向上也要保證傳質通道的規整性。

(2)蜂窩狀結構中界面數量多，傳質通道被阻擋，導致傳質性能差。節點處的相鄰界面形成機械耦合，一旦受到外力作用，微觀結構容易坍塌，壓縮回彈性差。

具有多放射狀微結構的多孔骨架克服了以上問題，在保證各向同性傳質通道的情況下，也提高了力學強度和壓縮回彈性，符合現有應用場景對多孔骨架性能的復雜要求。因此，發明一種簡單、快速和通用的制備具有多放射狀微結構的多孔骨架的方法具有十分重要的意義和應用前景。

發明內容

針對上述現有技術中存在的問題，本發明的目的在于設計提供一種通用的制備具有多放射狀微結構的多孔骨架的方法，該方法為優化多孔骨架的微觀結構以及傳統冰模板法的工藝過程提供了新思路，解決了當前的技術瓶頸。本發明制備的多孔骨架具有鮮明的多放射狀微結構，在保證有序三維傳旨網絡的同時顯著提高了結構的壓縮回彈性能，制得的多孔骨架可作為導熱填料和吸附介質。本發明適用材料范圍廣、制備過程簡單、制備結構可控、反應條件相對溫和以及產率高，在諸多領域具有良好的應用前景。

為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：

一方面，本發明提供了一種具有多放射狀微結構的多孔骨架的制備方法，包括以下步驟：

(1)稱取填料與水，可選地稱取粘結劑，混合處理，得到填料混合物；若填料之間存在較強的相互作用力，如氫鍵，則不需要使用粘結劑。

(2)取多放射狀取向成型裝置，預先放入低溫制冷介質中，在多放射狀取向成型裝置中填入步驟(1)得到的填料混合物，進行冷凍處理形成冰凍混合物，對冰凍混合物進行冷凍干燥處理，得到多孔骨架前驅體；

(3)將上述步驟(2)得到的多孔骨架前驅體可選地進行燒結處理，得到多孔骨架，進行切割、打磨處理，得到具有放射狀微結構的多孔骨架。燒結處理的進行根據多孔骨架的應用場景而決定。多孔骨架如果需要良好的壓縮回彈性，則不需要燒結處理；多孔骨架如果需要良好的傳質行為，則需要燒結處理。