一種自發(fā)泡注模凝膠成型多孔陶瓷的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于無(wú)機(jī)非金屬材料領(lǐng)域，涉及一種自發(fā)泡注模凝膠成型制備多孔陶瓷的方法。本發(fā)明提出一種自發(fā)泡法制備多孔陶瓷的方法。該方法通過(guò)配制含有檸檬酸、乳酸、乙酸等弱酸性水基料漿A和含有碳酸氫銨、碳酸鈣、碳酸鎂等碳酸鹽水基料漿B；經(jīng)過(guò)球磨配置得到A、B兩組份水基懸浮料漿；料漿經(jīng)除氣過(guò)程，加入引發(fā)劑、催化劑過(guò)程，加入表面活性劑過(guò)程之后，將組份A、B在攪拌的情況下進(jìn)行混合發(fā)泡，兩者發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成不阻凝的CO2泡沫料漿；將泡沫料漿澆入非吸水模具中，凝膠固化后形成多孔凝膠坯體；坯體經(jīng)過(guò)脫模、干燥、燒結(jié)等工藝過(guò)程得到多孔陶瓷。本發(fā)明操作方便，簡(jiǎn)單實(shí)用，適合制備孔徑尺寸分布在200～5000um范圍內(nèi)的多孔陶瓷材料。
【專利說(shuō)明】一種自發(fā)泡注模凝膠成型多孔陶瓷的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無(wú)機(jī)非金屬材料領(lǐng)域，涉及一種自發(fā)泡注模凝膠成型多孔陶瓷的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]二十世紀(jì)九十年代初，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了陶瓷坯體的凝膠注模成型技術(shù)，該技術(shù)將傳統(tǒng)的有機(jī)坯體注漿成型技術(shù)與高分子化學(xué)理論相結(jié)合，將可形成凝膠體的有機(jī)單體和交聯(lián)劑與有機(jī)溶劑或水配置成預(yù)混液，與陶瓷粉體混合后配制成陶瓷料漿，澆注入無(wú)滲透的模具中并在一定條件下使之原位聚合，形成交叉鍵結(jié)構(gòu)的凝膠體而使陶瓷坯體定型，因此，可適用于各種復(fù)雜形狀的陶瓷坯體的精密成型。但是，作為一種自由基聚合反應(yīng)，由于單體聚合時(shí)與空氣接觸，空氣中的氧會(huì)阻礙聚合反應(yīng)，因此，陶瓷料漿在空氣中發(fā)泡的情況下難以聚合。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目在于提出一種陶瓷料漿能夠在自然環(huán)境下自發(fā)泡凝膠固化成型的方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，
[0004](1)配料
[0005](a)組份A水基陶瓷料漿的配制
[0006]按照所制備的多孔陶瓷的類別，選配陶瓷粉體，稱取去離子水，去離子水的加入量介于陶瓷粉體重量的10?50% ;稱取聚丙烯酸銨溶液，聚丙烯酸銨溶液的加入量為陶瓷粉體重量的0.5%?2%;稱取有機(jī)單體和交聯(lián)劑，有機(jī)單體是丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺，交聯(lián)劑是亞甲基雙丙烯酰胺或多乙二醇二甲基丙烯酸，有機(jī)單體和交聯(lián)劑的比例介于10:1?30:1之間，有機(jī)單體和交聯(lián)劑的加入量為去離子水重量的10%?30%，用pH值調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)組份A的pH為1?3之間；
[0007](b)組份B水基陶瓷料漿的配制
[0008]按照所制備的多孔陶瓷的類別，選配陶瓷粉體，稱取去離子水，去離子水的加入量占陶瓷粉體重量的10?50% ;稱取聚丙烯酸銨，其加入量為陶瓷粉體重量的0.5%?2% ；稱取發(fā)泡劑，發(fā)泡劑加入量占去尚子水重量的0.1?10% ;稱取有機(jī)單體和交聯(lián)劑,有機(jī)單體是丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺，交聯(lián)劑是亞甲基雙丙烯酰胺或多乙二醇二甲基丙烯酸，有機(jī)單體和交聯(lián)劑的比例介于10:1?30:1，有機(jī)單體和交聯(lián)劑的加入量為去離子水重量的10%?30% ；
[0009](2)混合球磨
[0010]將上述A、B陶瓷料漿分別放入球磨罐中，在滾筒磨或行星磨中充分球磨，球磨時(shí)間介于lh?30h范圍內(nèi)，球料比介于1:1?5:1范圍內(nèi)；
[0011]⑶除氣泡
[0012]將上述料漿取出，A組份料漿進(jìn)行真空攪拌除氣，B組份進(jìn)行真空攪拌除氣或振動(dòng)除氣；
[0013](4)加入表面活性劑
[0014]將表面活性劑分別加入A組份、B組份懸浮料漿中，表面活性劑的加入量為所加入組份懸浮料漿重量的0.1-10% ；
[0015](5)加入催化劑和引發(fā)劑
[0016]在上述A組份料漿中加入引發(fā)劑過(guò)硫酸銨水溶液，濃度為3?40 %，B組份料漿加入四甲基乙二胺水溶液，濃度10?100%，分別攪拌均勻；
[0017](6)混合攪拌發(fā)泡
[0018]在攪拌的情況下將A、B組份懸浮料衆(zhòng)混合發(fā)泡,攪拌速度控制在50?200r/min ；
[0019](7)澆注
[0020]將上述泡沫陶瓷料漿澆注到非滲水材料制成的模具中；
[0021](8)脫模干燥
[0022]料漿在模具中凝膠固化10?60min后，從模具中取出濕凝膠坯體，干燥10天后即得到所需形狀的多孔陶瓷坯體；
[0023](9)燒結(jié)
[0024]將干躁完全的多孔陶瓷坯體在空氣環(huán)境或惰氣體保護(hù)環(huán)境條件下進(jìn)行燒結(jié)，得到多孔陶瓷。
[0025]所述組份A的pH值調(diào)節(jié)劑下列物質(zhì)之一:檸檬酸、乳酸、磷酸、乙酸；組份B發(fā)泡劑是下列物質(zhì)之一:碳酸氫銨、碳酸鈣、碳酸鎂、碳酸銨。
[0026]所述表面活性劑為烷基苯磺酸鹽類陰離子型、植物蛋白類或動(dòng)物蛋白類，以及各類復(fù)合型表面活性劑。
[0027]本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和有益效果，本發(fā)明通過(guò)配制含有檸檬酸、乳酸、乙酸等弱酸性水基料漿A和含有碳酸氫銨、碳酸鈣、碳酸鎂等碳酸鹽水基料漿B ;經(jīng)過(guò)球磨配置得到A、B兩組份水基懸浮料漿；料漿經(jīng)除氣過(guò)程，加入引發(fā)劑、催化劑過(guò)程，加入表面活性劑過(guò)程之后，將組份A、B在攪拌的情況下進(jìn)行混合發(fā)泡，兩者發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成無(wú)氧阻聚的C02泡沫料漿；將泡沫料漿澆入非吸水模具中，凝膠固化后形成多孔凝膠坯體；坯體經(jīng)過(guò)脫模、干燥、燒結(jié)等工藝過(guò)程得到多孔陶瓷。該方法通過(guò)A、B組份混合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成二氧化碳?xì)怏w，巧妙的利用無(wú)機(jī)酸與碳酸鹽反應(yīng)速度快，而有機(jī)單體自由基聚合反應(yīng)速度可調(diào)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了陶瓷料漿先發(fā)泡后凝膠，制備多孔陶瓷的工藝新方法。該發(fā)明具有裝置簡(jiǎn)單、易操作、適合制備200?5000 μ m孔徑的多孔陶瓷。另外，本方法中所使用原材料來(lái)源廣泛，設(shè)備要求低，成本低，無(wú)有害氣體釋放等特點(diǎn)。

【具體實(shí)施方式】
[0028]下面對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明集成了以下工藝技術(shù):無(wú)機(jī)酸與碳酸鹽反應(yīng)釋放二氧化碳?xì)怏w的原理；表面活性劑穩(wěn)定氣泡的原理；C02氣體環(huán)境中自由基聚合反應(yīng)凝膠固化的原理。
[0029]原理如下:含有無(wú)機(jī)酸的組份A與含有碳酸鹽的組份B混合過(guò)程中，發(fā)生無(wú)機(jī)酸與碳酸鹽的化學(xué)反應(yīng)，生成大量的二氧化碳?xì)怏w，二氧化碳在料漿中經(jīng)攪拌分散均勻，形成孔徑均勻的小氣泡。料漿中的表面活性劑使二氧化碳?xì)馀荼３珠L(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定，此時(shí)，料漿在催化劑引發(fā)劑的作用下實(shí)現(xiàn)逐漸固化凝膠，形成多孔陶瓷坯體。
[0030]操作步奏如下:
[0031](1)組份A水基陶瓷料漿的配制
[0032]按照所制備的多孔陶瓷的類別，選配陶瓷粉體，稱取去離子水，去離子水的加入量介于陶瓷粉體重量的10?50% ;稱取聚丙烯酸銨溶液，聚丙烯酸銨溶液的加入量為陶瓷粉體重量的0.5%?2%;稱取有機(jī)單體和交聯(lián)劑，有機(jī)單體是丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺，交聯(lián)劑是亞甲基雙丙烯酰胺或多乙二醇二甲基丙烯酸，有機(jī)單體和交聯(lián)劑的比例介于10:1?30:1之間，有機(jī)單體和交聯(lián)劑的加入量為去離子水重量的10%?30%，用pH值調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)組份A的pH為1?3之間；
[0033](2)組份B水基陶瓷料漿的配制
[0034]按照所制備的多孔陶瓷的類別，選配陶瓷粉體，稱取去離子水，去離子水的加入量占陶瓷粉體重量的10?50% ;稱取聚丙烯酸銨，其加入量為陶瓷粉體重量的0.5%?2% ；稱取發(fā)泡劑，發(fā)泡劑加入量占去尚子水重量的0.1?10% ;稱取有機(jī)單體和交聯(lián)劑,有機(jī)單體是丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺，交聯(lián)劑是亞甲基雙丙烯酰胺或多乙二醇二甲基丙烯酸，有機(jī)單體和交聯(lián)劑的比例介于10:1?30:1，有機(jī)單體和交聯(lián)劑的加入量為去離子水重量的10%?30% ；
[0035](3)混合球磨
[0036]將上述A、B陶瓷料漿分別放入球磨罐中，在滾筒磨或行星磨中充分球磨，球磨時(shí)間介于lh?30h范圍內(nèi)，球料比介于1:1?5:1范圍內(nèi)；
[0037]⑷除氣泡
[0038]將上述料漿取出，A組份料漿進(jìn)行真空攪拌除氣，B組份進(jìn)行真空攪拌除氣或振動(dòng)除氣；
[0039](5)加入表面活性劑
[0040]將表面活性劑分別加入A組份、B組份懸浮料漿中，表面活性劑的加入量為所加入組份懸浮料漿重量的0.1?10% ;
[0041](6)加入催化劑和引發(fā)劑
[0042]在上述A組份料漿中加入引發(fā)劑過(guò)硫酸銨水溶液，濃度為3?40 %，B組份料漿加入四甲基乙二胺水溶液，濃度10?100%，分別攪拌均勻；
[0043](7)混合攪拌發(fā)泡
[0044]在攪拌的情況下將A、B組份懸浮料衆(zhòng)混合發(fā)泡，攪拌速度控制在50?200r/min ；
[0045](8)澆注
[0046]將上述泡沫陶瓷料漿澆注到非滲水材料制成的模具中；
[0047](9)脫模干燥
[0048]料漿在模具中凝膠固化10?60min后，從模具中取出濕凝膠坯體，干燥10天后即得到所需形狀的多孔陶瓷坯體；
[0049](10)燒結(jié)
[0050]將干燥完全的多孔陶瓷坯體在空氣環(huán)境或惰氣體保護(hù)環(huán)境條件下進(jìn)行燒結(jié)，得到多孔陶瓷。
[0051]實(shí)施例1:氧化鋁多孔陶瓷制備
[0052]組份A氧化鋁陶瓷料漿
[0053]稱取500g平均粒徑為0.5 μ m的氧化鋁陶瓷粉體，加入90ml去離子水，15ml的聚丙烯酸銨分散劑，5ml乳酸調(diào)節(jié)劑，12g甲基丙烯酰胺有機(jī)單體，0.Sg多乙二醇二甲基丙烯酸，攪拌球磨15小時(shí)，抽真空后加入表面活性劑Ig,備用。
[0054]組份B氧化鋁陶瓷料漿
[0055]稱取500g平均粒徑為0.5μπι的氧化鋁陶瓷粉體，加入90g去離子水，15ml的丙烯酸銨分散劑，5g碳酸鈣粉體，12g丙烯酰胺有機(jī)單體，0.Sg亞甲基雙丙烯酰胺，攪拌球磨15小時(shí)，抽真空后加入表面活性劑2g,備用。
[0056]將組份A加入濃度7%過(guò)硫酸銨溶液3g，主份B加入濃度為50%四甲基乙二胺2g。將A、B料漿混合并在200r/min轉(zhuǎn)速攪拌條件下發(fā)泡至穩(wěn)定。將泡沫陶瓷料漿注入模具，20分鐘后凝膠固化，脫模干燥。經(jīng)1600°C煅燒2h得到氣孔率約為80%的氧化鋁泡沫陶瓷。
[0057]實(shí)施例2:氧化鋯多孔陶瓷的制備
[0058]組份A氧化鋯陶瓷料漿
[0059]稱取500g平均粒徑為0.5 μ m的氧化鋯陶瓷粉體，加入80ml去離子水，15ml的聚丙烯酸銨分散劑，5ml乳酸調(diào)節(jié)劑，12g丙烯酰胺有機(jī)單體，0.Sg亞甲基雙丙烯酰胺，攪拌球磨15小時(shí)，抽真空后加入表面活性劑Ig,備用。
[0060]組份B氧化鋯陶瓷料漿
[0061]稱取500g平均粒徑為0.5 μ m的氧化鋯陶瓷粉體，加入80ml去離子水，15ml的丙烯酸銨分散劑，5g碳酸氫銨粉體，12g丙烯酰胺有機(jī)單體，0.Sg亞甲基雙丙烯酰胺，攪拌球磨15小時(shí)，振動(dòng)除泡后加入表面活性劑Ig,備用。
[0062]將組份A加入濃度7%過(guò)硫酸銨溶液3g，組份B加入濃度為50%四甲基乙二胺2g。將A、B料漿在200r/min轉(zhuǎn)速攪拌條件下發(fā)泡至穩(wěn)定。將泡沫料漿注入玻璃模具中，20分鐘后凝膠固化，脫模干燥。在1500°C煅燒2h后得到氣孔率約為85%的氧化鋯泡沫陶瓷。
【權(quán)利要求】
1.一種自發(fā)泡注模凝膠成型多孔陶瓷的方法，其特征是， (1)配料 (a)組份A水基陶瓷料漿的配制 按照所制備的多孔陶瓷的類別，選配陶瓷粉體，稱取去離子水，去離子水的加入量為陶瓷粉體重量的10?50% ;稱取聚丙烯酸銨溶液，聚丙烯酸銨溶液的加入量為陶瓷粉體重量的0.5 %?2 稱取有機(jī)單體和交聯(lián)劑，有機(jī)單體是丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺，交聯(lián)劑是亞甲基雙丙烯酰胺或多乙二醇二甲基丙烯酸，有機(jī)單體和交聯(lián)劑的比例介于10:1?30:1之間，有機(jī)單體和交聯(lián)劑的加入量為去離子水重量的10%?30%，用pH值調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)組份A的pH為I?3之間； (b)組份B水基陶瓷料漿的配制 按照所制備的多孔陶瓷的類別，選配陶瓷粉體，稱取去離子水，去離子水的加入量占陶瓷粉體重量的10?50% ;稱取聚丙烯酸銨，聚丙烯酸銨加入量為陶瓷粉體重量的0.5%?2% ;稱取發(fā)泡劑，發(fā)泡劑加入量占去尚子水重量的0.1?10% ;稱取有機(jī)單體和交聯(lián)劑，有機(jī)單體是丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺，交聯(lián)劑是亞甲基雙丙烯酰胺或多乙二醇二甲基丙烯酸，有機(jī)單體和交聯(lián)劑的比例介于10:1?30:1之間，有機(jī)單體和交聯(lián)劑的加入量為去離子水重量的10%?30% ; (2)混合球磨 將上述A、B陶瓷料漿分別放入球磨罐中，在滾筒磨或行星磨中充分球磨，球磨時(shí)間介于Ih?30h范圍內(nèi)，球料比介于1:1?5:1范圍內(nèi)； (3)除氣泡 將上述料漿取出，A組份料漿進(jìn)行真空攪拌除氣，B組份進(jìn)行真空攪拌除氣或振動(dòng)除氣; (4)加入表面活性劑 將表面活性劑分別加入A組份、B組份懸浮料漿中，表面活性劑的加入量為所加入組份懸浮料漿重量的0.1-10% ； (5)加入催化劑和引發(fā)劑 在上述A組份料漿中加入引發(fā)劑過(guò)硫酸銨水溶液，濃度為3?40%，B組份料漿加入四甲基乙二胺水溶液，濃度10?100%，分別攪拌均勻； (6)混合攪拌發(fā)泡 在攪拌的情況下將A、B組份懸浮料衆(zhòng)混合發(fā)泡,攪拌速度控制在50?200r/min ； (7)澆注 將上述泡沫陶瓷料漿澆注到非滲水材料制成的模具中； (8)脫模干燥 料漿在模具中凝膠固化10?60min后，從模具中取出濕凝膠坯體，干燥10天后即得到所需形狀的多孔陶瓷坯體； (9)燒結(jié) 將干躁完全的多孔陶瓷坯體在空氣環(huán)境或惰氣體保護(hù)環(huán)境條件下進(jìn)行燒結(jié)，得到多孔陶瓷。
2.如權(quán)利要求1所述的一種自發(fā)泡注模凝膠成型多孔陶瓷的方法，其特征是，所述組份A的pH值調(diào)節(jié)劑下列物質(zhì)之一:檸檬酸、乳酸、磷酸、乙酸；組份B發(fā)泡劑是下列物質(zhì)之一:碳酸氫銨、碳酸鈣、碳酸鎂、碳酸銨。
3.如權(quán)利要求1所述的一種自發(fā)泡注模凝膠成型多孔陶瓷的方法，其特征是，所述表面活性劑為烷基苯磺酸鹽類陰離子型、植物蛋白類或動(dòng)物蛋白類，以及各類復(fù)合型表面活性劑。
【文檔編號(hào)】C04B35/10GK104402456SQ201410601848
【公開(kāi)日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月31日
【發(fā)明者】李寶偉, 仝建峰, 焦春榮, 焦建, 張冰玉 申請(qǐng)人:中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司