一種氧化鋁基多孔陶瓷材料的製備方法
2023-05-30 06:19:01
專利名稱：一種氧化鋁基多孔陶瓷材料的製備方法
技術領域：
本發明涉及陶瓷材料領域，特別是涉及一種有機矽樹脂作為粘結劑的氧化鋁基多
孔陶瓷材料的製備方法。
背景技術：
多孔陶瓷是一種經高溫燒成、在成型與燒結過程中材料體內形成大量氣孔的新型
陶瓷材料，可以作為生物材料、催化劑載體材料、過濾材料、熱交換器材料等使用。 氧化鋁陶瓷以其製造成本低廉成為多孔陶瓷的首選材料。氧化鋁除了來源廣泛、
價格相對低廉、製備技術成熟等特點外，還具有以下優良特性(l)耐高溫；(2)化學穩定性
好；(3)耐磨損性能優良；(4)耐腐蝕；(5)機械強度高；(6)導熱率低；(7)硬度大。氧化鋁
基多孔陶瓷作為一種性能優異、前景廣闊的多孔陶瓷材料，其潛在應用可廣泛分布於熔融
金屬過濾、熱氣體過濾、微孔膜、傳感器、隔膜材料和固定化酶載體及保溫隔熱等行業。
氧化鋁多孔陶瓷的主要製備方法有以下幾種方法1)添加造孔劑、易揮發物質工
藝；2)擠壓成型工藝；3)顆粒堆積成型工藝；4)發泡工藝；5)有機泡沫體浸漬工藝；6)溶
膠-凝膠工藝等。這些傳統的多孔陶瓷製備方法，除了需要大量的燒結助劑，還提高了燒結
溫度，較難獲得純度較高的氧化鋁多孔陶瓷材料。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種比較簡易的方法，在較低的溫度下製備 具有性能優異的氧化鋁基多孔陶瓷材料，並開發一種新型的有機矽樹脂裂解製備氧化鋁基 多孔陶瓷材料的新方法。
本發明解決其技術問題採用以下的技術方案 本發明提供的氧化鋁基多孔陶瓷材料的製備方法，是利用有機矽樹脂作為粘結劑 來製備氧化鋁基多孔陶瓷材料，具體是按下述步驟進行 (1)混合將有機矽樹脂作為粘結劑直接與氧化鋁陶瓷粉料均勻混合，二者之體
積配比為i : 1 4 : i。所述的體積配比是指純有機矽樹脂與氧化鋁陶瓷粉料的體積配
比；使用溶劑型有機矽樹脂時，應根據其固含量將有機矽樹脂含量換算成純有機矽樹脂再 配料。 所述的有機矽樹脂，可以採用能夠溶解於有機溶劑的固體有機矽樹脂，或者採用 溶劑型有機矽樹脂。還可以是以羥基封端的縮合型樹脂，以苯基和甲基作為支鏈，分子量 > 2000。 (2)前處理將混合粉體在100 15(TC處理3 24小時蒸發溶劑，同時脫去有機 矽中的自由水，獲得氧化鋁陶包覆粉體； (3)階梯升溫模壓成型採用階梯升溫模壓工藝制度成型的方法將氧化鋁陶包覆 粉體成型，得到素坯；素坯中有機矽樹脂的體積含量為50 80%。階梯升溫模壓工藝制 度是指軸向加壓10 60Mpa，溫度制度為100 12(TC保溫0. 5 lh ;再升溫至130
3150。C保溫0. 5 2h ;再升溫至170 19(TC保溫0. 5 2h ;最後再升溫至200 21(TC保 溫O. 5 lh。 (4)熱處理和裂解將素坯在800 120(TC惰性氣氛保護下裂解，控制反應速率為
100 300°C /小時和保溫時間1 10小時，即得到所述氧化鋁基多孔陶瓷材料。 所述惰性氣氛是指氮氣或氬氣。 本發明製備的氧化鋁陶瓷粉料的粒徑為1 20 ii m。 本發明利用有機矽樹脂的粘結性可以十分有效的與氧化鋁顆粒形成包覆粉體，並 促使氧化鋁顆粒粘結，使素坯具有較好的機械性能。隨著溫度的升高，坯體中的有機矽樹脂 分子鏈不斷重排產生大量玻璃相，起到粘結的作用，將A1203顆粒溶解包裹在其中，使相鄰 顆粒中心相互逼近，增加接觸面積，顆粒之間發生粘合，提高了基體強度，同時形成一些封 閉氣孔，同時有機矽樹脂分子鏈斷裂形成連續的小氣孔，提高了孔隙率。在整個過程中，有 機矽樹脂起同時到了粘結劑和造孔劑的作用，有效地節約了成本。 本發明利用有機矽裂解製備氧化鋁基多孔陶瓷材料與傳統方法相比還有以下優 勢 其一.有機矽樹脂裂解可以產生氣體從而達到造孔的目的，可以通過控制實驗工 藝達到開孔/閉孔可控、孔隙率可控，獲得較寬範圍的孔徑尺寸，不需要加入其他造孔劑。
其二 .有機矽樹脂是以Si-O-Si為主鏈的有機聚合物，裂解溫度較低並具有粘結 性，在製備陶瓷過程中無需添加其他粘結劑。 其三.有機矽樹脂在整個製備過程中既起到了粘結劑的作用又起到了造孔劑的 作用，這大大節省了燒結助劑的使用，減少了雜質的引入，可獲得較純的氧化鋁陶瓷，並且 也降低了生產成本。同時，有機矽樹脂在裂解過程中形成大量的液相，降低了氧化鋁的燒結 溫度。 其四.可重複性好、成本低，而且所製備的氧化鋁基多孔陶瓷材料具有孔隙分布 均勻、孔徑尺度小、孔隙率高和力學強度較高等優異性能。 綜上所述本發明利用有機矽樹脂裂解製備氧化鋁基多孔陶瓷，可達到40%顯氣 孔率，通過控制有機矽樹脂與氧化鋁的比例可達到顯氣孔率可控要求，並且具有成型工藝 簡單、燒成溫度低等諸多優點，符合現代工業的需求。
圖1是本發明工藝流程示意圖。
圖2為實施例1產物的XRD圖。
圖3為實施例1產物的SEM圖。
具體實施例方式
本發明提供了一種有機矽樹脂作為粘結劑的氧化鋁基多孔陶瓷材料的製備方法， 其工藝流程如圖1所示包括混合、前處理、模壓成型、熱處理和燒結工序。
下面結合實施例及附圖對本發明作進一步說明。
實施例1 : (1)將有機矽樹脂與粒徑小於20 ii m的氧化鋁粉料按照重量比為4 : 1進行均勻混合； (2)通過階梯升溫模壓工藝制度的方法成型，軸向加壓60Mpa，溫度制度為120°C，0. 5h — 150°C ， lh — 180°C ， lh — 200°C ， 0. 5h ; (3)氮氣氣氛保護下於120(TC進行常壓燒結，升溫速率為120°C /小時，保溫2小時。可以得到氣孔率25%，抗彎強度為57MPa，密度為2. 03g/cm3的氧化鋁基多孔陶瓷材料。
分析測試表明(見圖2):產物的主要物相為a-氧化鋁和Y-氧化鋁，仍然保持了原料的主要物相，沒有發生相轉變。但是，可明顯的看出有機矽樹脂在裂解過程中形成了一種Si-C-0的無定形態物質，減弱了氧化鋁的衍射峰。這種無定形態的物質，提供了液相，降低了氧化鋁的燒結溫度，同時使得這種氧化鋁基多孔陶瓷材料具有較高的力學強度。通過這種方法製備出來的氧化鋁基多孔陶瓷材料孔隙分布比較均勻，孔隙率較高，孔徑尺度較小。
分析測試表明(見圖3):製備出來的氧化鋁基多孔陶瓷材料孔隙率較高，孔隙分
布比較均勻，孔徑尺度小。
實施例2 : (1)將有機矽樹脂與粒徑小於20 m的氧化鋁粉料按照重量比為3. 3 : 1進行均勻混合； (2)通過階梯升溫模壓工藝制度的方法成型，軸向加壓40Mpa，溫度制度為120°C，lh — 150°C ， lh — 180°C ， lh — 200°C ， lh ; (3)氮氣氣氛保護下於120(TC進行裂解，升溫速率為120°C /小時，保溫2小時。可以得到氣孔率31%，抗彎強度為43MPa，密度為2. Olg/cm3的氧化鋁基多孔陶瓷材料。
實施例3 : (1)將有機矽樹脂與粒徑小於10 m的氧化鋁粉料按照重量比為3. 6 : 1進行均勻混合； (2)通過階梯升溫模壓工藝制度的方法成型，軸向加壓30Mpa，溫度制度為120°C，0. 5h — 150°C ， lh — 180°C ， lh — 200°C ， lh ; (3)氮氣氣氛保護下於IIO(TC進行裂解，升溫速率為140°C /小時，保溫2小時。可以得到氣孔率33%，抗彎強度為36MPa，密度為1. 98g/cm3的氧化鋁基多孔陶瓷材料。
實施例4: (1)將有機矽樹脂與粒徑小於10 m的氧化鋁粉料按照重量比為1.6:1進行均勻混合； (2)通過階梯升溫模壓工藝制度的方法成型，軸向加壓lOMpa，溫度制度為120°C，0. 5h — 150°C ， 0. 5h — 180°C ， lh — 200°C ， lh ; (3)氮氣氣氛保護下於IOO(TC進行裂解，升溫速率為240°C /小時，保溫2小時。可以得到氣孔率36%，抗彎強度為29MPa，密度為1. 96g/cm3的氧化鋁基多孔陶瓷材料。
實施例5 : (1)將有機矽樹脂與粒徑小於20 m的氧化鋁粉料按照重量比為4 : 1進行均勻混合； (2)通過階梯升溫模壓工藝制度的方法成型，軸向加壓20Mpa，溫度制度為120°C，0. 5h — 150°C ， 0. 5h — 180°C ， lh — 200°C ， lh ;
(3)氮氣氣氛保護下於80(TC進行裂解，升溫速率為240°C /小時，保溫2小時。可以得到氣孔率34%，抗彎強度為32MPa，密度為1. 96g/cm3的氧化鋁基多孔陶瓷材料。
上述實施例2-5的分析測試結果同實施例1 。
權利要求
一種氧化鋁基多孔陶瓷材料的製備方法，其特徵是利用有機矽樹脂作為粘結劑製備氧化鋁基多孔陶瓷材料，其按下述步驟進行(1)混合將有機矽樹脂作為粘結劑直接與氧化鋁陶瓷粉料均勻混合，二者之體積配比為1∶1～4∶1；(2)前處理將混合粉體在100～150℃處理3～24小時蒸發溶劑，同時脫去有機矽中的自由水，獲得氧化鋁陶包覆粉體；(3)階梯升溫模壓成型採用階梯升溫模壓工藝制度成型的方法將氧化鋁陶包覆粉體成型，得到素坯；(4)熱處理和裂解將素坯在800～1200℃惰性氣氛保護下裂解，控制反應速率為100～300℃/小時和保溫時間1～10小時，即得到所述氧化鋁基多孔陶瓷材料。
2. 根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於素坯中有機矽樹脂的體積含量為 50 80%。
3. 根據權利要求1或2所述的製備方法，其特徵在於所述的有機矽樹脂採用可溶解 於有機溶劑的固體有機矽樹脂，或者採用溶劑型有機矽樹脂。
4. 根據權利要求1或2所述的製備方法，其特徵在於所述的有機矽樹脂是以羥基封 端的縮合型樹脂，以苯基和甲基作為支鏈，分子量^ 2000。
5. 根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於所述的體積配比是指純有機矽樹脂 與氧化鋁陶瓷粉料的體積配比；使用溶劑型有機矽樹脂時，應根據其固含量將有機矽樹脂 含量換算成純有機矽樹脂再配料。
6. 根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於階梯升溫模壓工藝制度是指軸向加 壓10 60Mpa，溫度制度為100 120。C保溫0. 5 lh ;再升溫至130 150。C保溫0. 5 2h ;再升溫至170 190。C保溫0. 5 2h ;最後再升溫至200 210。C保溫0. 5 lh。
7. 根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於所述惰性氣氛是指氮氣或氬氣。
8. 根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於氧化鋁陶瓷粉料的粒徑為1 20iim。
全文摘要
本發明提供的氧化鋁基多孔陶瓷材料的製備方法，具體是將有機矽樹脂與氧化鋁陶瓷粉料均勻混合，二者之體積配比為1∶1～4∶1；將混合粉體在100～150℃處理3～24小時蒸發溶劑，同時脫去有機矽中的自由水，獲得氧化鋁陶包覆粉體，研磨過篩後採用階梯升溫模壓工藝制度將氧化鋁陶包覆粉體成型，得到素坯試樣；將素坯在800～1200℃惰性氣氛保護下裂解，控制反應速率為100～300℃/小時，保溫時間1～10小時，即得到一種氧化鋁基多孔陶瓷材料。本發明裂解溫度低、可重複性好、成本低廉，而且所製備的氧化鋁基多孔陶瓷材料具有孔隙分布均勻、孔徑尺度小、孔隙率較高和力學強度較高等優異性能。
文檔編號C04B35/622GK101792327SQ20101011209
公開日2010年8月4日 申請日期2010年2月9日 優先權日2010年2月9日
發明者張聯盟, 沈強, 熊遠祿, 王傳彬, 鄭勁, 陳斐 申請人:武漢理工大學