一種基于尼龍纖維為造孔劑制備定向多孔氮化硅陶瓷的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一維定向多孔氮化硅陶瓷的制備，具體地說涉及一種基于尼龍纖維為 造孔劑制備定向多孔氮化硅陶瓷的方法，該材料是氮化硅高溫?zé)煔膺^濾器的核心部件。技 術(shù)產(chǎn)業(yè)化后可以直接用于高溫?zé)煔獬龎m凈化、能源及石化等企業(yè)的中間過濾和廢氣過濾， 為國家的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性發(fā)展提供技術(shù)幫助。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和工業(yè)化、城市化進(jìn)程的加快，大氣污染物的排放總量 也迅速增加，環(huán)境空氣質(zhì)量逐漸下降。電力、鋼鐵、冶金、建材、化工、垃圾焚燒等工業(yè)中的高 溫?zé)煔夥蹓m排放成為大氣污染的主要來源之一，已成為影響我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民健康 生活水平提高的重要因素。
[0003] 具有優(yōu)異斷裂韌性和高強(qiáng)度纖維狀晶粒的多孔氮化硅陶瓷是一種新型的、最具有 前景的可用于高溫?zé)煔膺^濾、除塵的陶瓷基過濾材料，有望替代現(xiàn)有的堇青石和碳化硅材 料。目前，制備氮化硅陶瓷的方法較多，按有無造孔劑來分，制備多孔氮化硅陶瓷材料的方 法大致可分為使用造孔劑和不使用造孔劑燒結(jié)兩大類。CN 1803716A制備出具有高孔隙率、 孔徑較小、孔隙分布均勻和較高力學(xué)（抗彎）強(qiáng)度的氮化硅多孔陶瓷材料。CN 102351563A 以氣化娃為基體、有機(jī)娃樹脂為粘結(jié)劑和小孔造孔劑、蔡粉為大孔造孔劑，制備出具有多級 孔徑結(jié)構(gòu)的高孔隙率氮化硅多孔陶瓷。CN 101591173A采用發(fā)泡原理通過懸浮陶瓷漿料的 制備、發(fā)泡、成型和燒成過程制備出多孔氮化硅陶瓷。CN 1821168A通過碳熱還原法制備出 孔隙率高的多孔氮化硅陶瓷。CN 101503298A通過凝膠注模法得到的氮化硅多孔陶瓷氣孔 率介于49-63%之間，抗彎強(qiáng)度為54-23410^，孔徑分布為0.1-1.0以111。
[0004] 傳統(tǒng)燒結(jié)方法制備氮化硅陶瓷的孔徑大約為1 μ m，相反，氮化硅泡沫陶瓷的孔徑 大約150 μ m，孔徑的過小或過大都限制了其作為陶瓷過濾器的應(yīng)用。另一方面，大多制備的 多孔氮化硅陶瓷內(nèi)部無規(guī)則排列的孔隙大大降低了其過濾性能。因此，從材料微觀結(jié)構(gòu)設(shè) 計分析，定向多孔材料具有良好的流體滲透性及機(jī)械性能，其作為陶瓷過濾器越來越引起 人們的廣泛重視。通過對國內(nèi)外專利與文獻(xiàn)的查新結(jié)果表明：還沒有使用尼龍纖維作為造 孔劑制備定向多孔氮化硅陶瓷材料的報道。因此，本專利采用可燃性良好、高長徑比的尼龍 纖維作為造孔劑，采用低成本的擠壓成型及常壓燒結(jié)工藝制備一維定向高溫?zé)煔獬龎m用多 孔氮化硅陶瓷過濾材料，其產(chǎn)業(yè)化后可以直接用于高溫?zé)煔獬龎m凈化。除了高溫?zé)煔膺^濾 夕卜，該多孔氮化硅陶瓷還可用于能源、石化等企業(yè)的中間過濾和廢氣過濾，為國家及的經(jīng)濟(jì) 可持續(xù)性發(fā)展提供技術(shù)幫助。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是通過可燃性良好、高長徑比的尼龍纖維作為造孔劑， 采用低成本的擠壓成型及常壓燒結(jié)工藝制備一維定向高溫?zé)煔獬龎m用多孔氮化硅陶瓷過 濾材料。
[0006] 為解決上述問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案是：
[0007] -種基于尼龍纖維為造孔劑制備定向多孔氮化硅陶瓷的方法，其特征在于，包括 以下步驟：
[0008] ①首先按照60?80%的固相含量將質(zhì)量比為90?95%的氮化硅、5?10%的 燒結(jié)助劑（基于氮化硅的質(zhì)量）、〇?40%的尼龍纖維（基于氮化硅和燒結(jié)助劑的質(zhì)量）、 有機(jī)添加劑及去離子水混合，其中有機(jī)添加劑包括有加入量占固相含量的5?20%的粘接 劑、加入量占固相含量的2?10%的增塑劑、加入量占固相含量的0?2%的保濕劑、加入 量占固相含量的〇?8%的潤滑劑。
[0009] ②將上述原料混合均勾后，陳腐12?24h，置于壓力機(jī)以2?10mm/min的擠壓速 度擠出，獲得定向多孔氮化硅陶瓷的生坯。
[0010] ③將生坯烘干后置于馬弗爐中升溫至600?800°C保溫1?3h排膠。
[0011] ④最后將排膠后的試樣放入多功能氣氛爐中，在氮?dú)鈮毫?.2?0.6MPa下以 10?15°C /min的升溫速度逐漸升溫到1750?1800°C保溫1?2h，即獲得定向多孔氮化 硅陶瓷。
[0012] 進(jìn)一步地，所述燒結(jié)助劑為金屬氧化物Y203、A1 203、Eu203、MgO、La20 3、Lu2O3至少一 種或它們的混合物。
[0013] 進(jìn)一步地，所述尼龍纖維的長度1?10mm，直徑5?40 μ m。
[0014] 進(jìn)一步地，所述有機(jī)添加劑中粘結(jié)劑為甲基纖維素（MC)、羧甲基纖維素鈉（CMC)、 羥丙基甲基纖維素（HPMC)中的至少一種或者它們的組合；所述增塑劑為分子量1000? 10000的聚乙二醇（PEG);所述保濕劑為丙三醇或具有保濕效果的丙二醇、山梨醇、木糖醇 類多元醇；所述潤滑劑為蓖麻油或具有潤滑效果的豆油、亞麻油、菜籽油類植物性潤滑劑。
[0015] 本發(fā)明在制備過程中，可通過原料的選擇及工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)來控制陶瓷中的氣孔 率、氣孔結(jié)構(gòu)及孔徑尺寸等重要結(jié)構(gòu)參數(shù)。
[0016] 本發(fā)明一種基于尼龍纖維為造孔劑制備定向多孔氮化硅陶瓷的方法具有成本低 廉、工藝簡單，陶瓷質(zhì)量易于控制等特點(diǎn)。技術(shù)產(chǎn)業(yè)化后可以直接應(yīng)用在高溫?zé)煔獬龎m設(shè)備 中，用以凈化空氣、保護(hù)環(huán)境，為國家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)幫助。
[0017] 同時下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對發(fā)明作進(jìn)一步說明。
【附圖說明】
[0018] 圖1為下述實施例4燒結(jié)試樣的XRD圖。
[0019] 圖2為下述實施例4燒結(jié)試樣的縱剖面SEM圖。
[0020] 圖3為下述實施例4燒結(jié)試樣的橫剖面SEM圖。
[0021] 圖4為下述實施例4燒結(jié)試樣的高倍下SEM圖。
【具體實施方式】
[0022] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0023] 1) 一維定向多孔氮化硅陶瓷，其組成如表1所示，在表1所示的實施例1?10中， 先將尼龍纖維放在球磨罐中，用瑪瑙磨球在行星式球磨機(jī)上球磨2?3h，取出烘干備用（其 長度為1?2mm，直徑15?18 μm)。將氮化硅、氧化釔及尼龍纖維按照表1的配比混合裝 入球磨罐，以無水乙醇為球磨介質(zhì)，用瑪瑙磨球在行星式球磨機(jī)上球磨3h，之后取出置于 80°C干燥箱內(nèi)烘干，烘干后的混合料過14目篩后備用。
[0024] 2)按照表1所示的實施例1?10的比例，加入粘結(jié)劑（HPMC、CMC或MC)、 PEG(K)OOO或1000)、蓖麻油、丙三醇及相應(yīng)比例的去離子水，在研缽中研磨，揉練均勻后密 封陳腐24h。
[0025] 3)陳腐后的泥料通過擠壓模具（模具中擠出角的設(shè)計為31. 8°，擠出段的長徑比 設(shè)計為1. 5)擠出成型，擠出速度為4?10mm/min，獲得生坯，將擠出后的生坯表面涂覆蓖麻 油后放入干燥箱內(nèi)干燥，干燥時緩慢升高速度，防止生坯開裂變形，干燥溫度控制在90°C以 下，直至試樣中的去離子水完全烘干為止。
[0026] 4)生坯中添加了很多有機(jī)添加劑和纖維，在燒結(jié)前必須對試樣進(jìn)行排膠處理。處 理制度選擇為緩慢升溫至600?800°C保溫2?3h，直至生坯中的各種添加劑和尼龍纖維 完全離開坯體。
[0027] 5)將排膠后的生坯放入多功能氣氛爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)過程中氮?dú)鈮毫刂圃?0. 225MPa，以10?15°C /min的升溫速度逐漸升溫到1750°C保溫2h，獲得定向多孔氮化硅 陶瓷。
[0028] 6)用游標(biāo)卡尺測量試樣燒結(jié)前后的尺寸變化，計算出線收縮率；阿基米德排水 法測定開氣孔率及其密度；三點(diǎn)彎曲法測量試樣的彎曲強(qiáng)度；用顯微硬度法測量試樣的硬 度；X射線衍射儀（XRD)分析物相；掃描電鏡（SEM)觀察試樣的顯微結(jié)構(gòu)。表1為本發(fā)明實 施例1-10的原料配比（含量），表2為本發(fā)明定向多孔氮化硅陶瓷的測試性能。實施例4 燒結(jié)試樣的XRD圖如圖1所示，SEM縱剖面如圖2所示，橫剖面（低倍）如圖3所示、高倍 如圖4所示。
[0029] 表1本發(fā)明實施例1-10的原料配比
[0030]
【主權(quán)項】
1. 一種基于尼龍纖維為造孔劑制備定向多孔氮化硅陶瓷的方法，其特征在于，包括以 下步驟： ① 首先按照60?80%的固相含量將質(zhì)量比為90?95%的氮化硅、5?10%的燒結(jié)助 劑（基于氮化硅的質(zhì)量）、〇?40%的尼龍纖維（基于氮化硅和燒結(jié)助劑的質(zhì)量）、有機(jī)添 加劑及去離子水混合，其中有機(jī)添加劑包括有加入量占固相含量的5?20%的粘接劑、加 入量占固相含量的2?10%的增塑劑、加入量占固相含量的0?2%的保濕劑、加入量占固 相含量的〇?8%的潤滑劑。 ② 將上述原料混合均勾后，陳腐12?24h，置于壓力機(jī)以2?10mm/min的擠壓速度擠 出，獲得定向多孔氮化硅陶瓷的生坯。 ③ 將生坯烘干后置于馬弗爐中升溫至600?800°C保溫1?3h排膠。 ④ 最后將排膠后的試樣放入多功能氣氛爐中，在氮?dú)鈮毫Ι? 2?0. 6MPa下以10? 15°C /min的升溫速度逐漸升溫到1750?1800°C保溫1?2h，即獲得定向多孔氮化硅陶瓷。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于尼龍纖維為造孔劑制備定向多孔氮化硅陶瓷的方 法，其特征在于，所述燒結(jié)助劑為金屬氧化物10 331203311203、1%0、1^ 203、1^203至少一種或 它們的混合物。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于尼龍纖維為造孔劑制備定向多孔氮化硅陶瓷的方 法，其特征在于，所述尼龍纖維的長度1?1〇_，直徑5?40 ym。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于尼龍纖維為造孔劑制備定向多孔氮化硅陶瓷的 方法，其特征在于，所述有機(jī)添加劑中粘結(jié)劑為甲基纖維素（MC)、羧甲基纖維素鈉（CMC)、 羥丙基甲基纖維素（HPMC)中的至少一種或者它們的組合；所述增塑劑為分子量1000? 10000的聚乙二醇（PEG);所述保濕劑為丙三醇或具有保濕效果的丙二醇、山梨醇、木糖醇 類多元醇；所述潤滑劑為蓖麻油或具有潤滑效果的豆油、亞麻油、菜籽油類植物性潤滑劑。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于尼龍纖維為造孔劑制備定向多孔氮化硅陶瓷的方法，其制備方法為：按照不同固相含量將不同配比的氮化硅、不同長度的尼龍纖維、燒結(jié)助劑、有機(jī)添加劑及去離子水混合，混料均勻后，陳腐一段時間置于壓力機(jī)以不同的擠壓速度擠出成型得到陶瓷生坯，生坯經(jīng)排膠后在氮?dú)鈿夥障聼Y(jié)最終獲得定向多孔氮化硅陶瓷。本發(fā)明所述制備方法具有成本低廉、工藝簡單，陶瓷質(zhì)量易于控制的特點(diǎn)。產(chǎn)業(yè)化后可以直接用于高溫?zé)煔獬龎m凈化。除了高溫?zé)煔膺^濾外，該多孔氮化硅陶瓷還可用于能源、石化等企業(yè)的中間過濾和廢氣過濾，為國家經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展提供技術(shù)幫助。
【IPC分類】C04B38-06, C04B35-584, C04B35-622, B01D39-20
【公開號】CN104529522
【申請?zhí)枴緾N201410757400
【發(fā)明人】于方麗, 白宇, 韓朋德, 張霞, 吳其勝, 倪澍
【申請人】鹽城工學(xué)院
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年12月12日