專利名稱：一種燒結微纖結構化微米尺度顆粒的多孔復合材料及制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種燒結微纖結構化微米尺度顆粒的多孔復合材料及制造方法，屬多孔復合材料及其制造的技術領域。
背景技術：
無機氧化物多孔復合材料由于其可控的孔隙率、絕緣性和抗腐蝕性，在隔熱材料、催化劑/或催化劑載體、過濾和建筑材料等多個領域應用廣泛。無機氧化物多孔復合材料，通常采用燒結/熔融、擠壓或粘結微球的方法來制造。對于燒結/熔融或粘結微球的技術方法，制造的多孔材料只能在固定區(qū)域內獲得分布很窄的空隙率，且空隙率數(shù)值強烈地取決于堆積方式。另外，燒結/熔融或粘結微球形成的三維網狀結構的有效孔徑也取決于微球的直徑。相反，具有大縱橫比的微纖允許我們不受微纖直徑影響、獨立地創(chuàng)造大空隙率材料并同時裁剪/選擇孔徑，而且燒結微纖載體的有效孔徑在很寬廣的區(qū)域內是連續(xù)可調控的。
基于纖維材料在制造大孔隙率的獨特優(yōu)異性孔隙率和三維網狀結構的孔徑易于調控，美國專利(U.S.Patents 5,304,330；5,080,963；5,102,745；5,096,663；和6,231,792)發(fā)明了具有三維網狀結構燒結纖維及其制造方法，但僅報道了燒結三維網狀結構Ni金屬纖維的制造實施例。這種材料雖然有開放的三維網狀結構和可控的空隙率及孔徑，但面積-體積比較小，材料的抗腐蝕和抗氧化性能差。
本發(fā)明人在2005年由美國化學會出版的《微反應器技術和過程強化》(Yong Wang等主編)一書中報道了用燒結Ni微纖包結粒徑為100-200μm的SiO2顆粒并負載ZnO，用于富H2氣體中微量H2S的吸附脫除，與大顆粒商品吸附劑相比，ZnO的利用率顯著提高、反應器的重量和體積明顯減小。用燒結金屬Ni纖維雖然可以大負載量地載持多孔大比表面積微米尺度顆粒，用于反應或吸附過程可顯著改善反應床層的傳質、傳熱性能和提高反應器利用效率，但金屬纖維材料在抗腐蝕和抗氧化性能方面的不足，使這種結構的復合材料的應用受到了很大限制。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的第一個技術問題是提出一種燒結微纖結構化微米尺度顆粒的多孔復合材料，其特征在于，含微纖和微米尺度顆粒，微纖是氧化物微纖，微米尺度顆粒是功能材料的顆粒，微纖的結合點燒結在一起，形成三維網狀結構，微米尺度的顆粒被均勻地束縛于呈三維網狀結構的微纖，該材料的空隙率為50～80％，微纖占該材料總體積的3～12％。該材料具有以下優(yōu)點(1)具有大縱橫比的微纖，使得不受微纖直徑影響、獨立地創(chuàng)造大空隙率材料并同時裁剪/選擇孔徑成為可能；(2)微纖的三維網狀結構的有效孔徑在很寬廣的區(qū)域內連續(xù)可調控；(3)三維網狀結構可以高負載量地包結微米尺寸的顆粒，如催化劑、吸附劑、磁性材料等的顆粒，負載量可50～70wt％；(4)所述的微纖的三維網狀結構具有良好的抗腐蝕性、抗氧化性能；(5)易于制造、制造費用小。
本發(fā)明的要解決的第二個技術問題是提供一種制造所述材料的方法。
本發(fā)明采用以下技術方案使上述技術問題得到解決(1)將選定比例的微纖、微米尺度顆粒、粘結劑分別加入到適量水中，攪拌成均勻的漿液；(2)將得到的漿液在成型模具上過濾，形成前驅體；(3)將得到的前驅體干燥、特定溫度和氣氛下使微纖與微纖的結合點燒結，得到微纖結構化微米尺度顆粒物的多孔復合材料。
現(xiàn)詳細說明本發(fā)明的技術方案。
一種燒結微纖結構化微米尺度顆粒物的多孔復合材料的制造方法，其特征在于，操作步驟
第一步依次將粘結劑、微纖和微米尺度顆粒加入到水中，攪拌成均勻的漿液，粘結劑∶微纖∶顆?！盟闹亓勘葹?∶1.66～3∶9～10∶300～2000，粘結劑是直徑和長度分別為10～100μm和1～10mm的非水溶性纖維素，微纖是玻璃微纖或石英微纖，微米尺度顆粒是粒徑為10～500μm的催化劑/吸附劑、大表面積多孔氧化物顆粒；第二步向第一步制得的漿液內加水，混和均勻后將水濾除，在過濾模具上形成濕濾餅，粘結劑加入水的重量比為1∶5000～10000；第三步將第二步制得的濕濾餅烘干，在600～1400℃的溫度下于空氣、H2或N2中燒結5～120分鐘，制得產品，燒結微纖結構化微米尺度顆粒的多孔復合材料。
本發(fā)明的技術方案的進一步特征在于，制造過程按連續(xù)方式進行，將第一步制得的漿液連續(xù)加入移動式過濾機，同時將過濾產物連續(xù)不斷地烘干、燒結形成產物。
本發(fā)明的技術方案的進一步特征在于，第一步中，微米尺度顆粒粒徑的優(yōu)化值為50～350μm。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下顯著優(yōu)點(1)復合材料含呈三維網狀結構的燒結微纖。
(2)三維網狀結構的網絡孔口和空隙率可連續(xù)調控。
(3)三維網狀結構能大負載量地載持微米尺度顆粒。
(4)復合材料具有大孔隙率、大面積體積比。
(5)易于制造、制造費用小。


圖1是實施例1的樣品A′的SEM電鏡照片。
圖2是實施例2的樣品B′的SEM電鏡照片。
圖3是實施例3的樣品C′的SEM電鏡照片。
圖4是實施例4的樣品D′的SEM電鏡照片。
圖5是實施例5的樣品E′的SEM電鏡照片。
所有的結果顯示，微纖與微纖的結合點完美地融結在一起，形成了三維網狀結構結構，同時，微米尺度顆粒被均勻地束縛在網狀結構中。
具體實施例方式
下面的實施例將具體描述本發(fā)明。所有實施例均按上述技術方案的操作步驟進行操作。
實施例1第一步粘結劑是直徑和長度分別為10～100μm和1～10mm的非水溶性纖維素，微纖是E型抗酸腐蝕和強度增強的硅鋁酸鈣的玻璃微纖，微米尺度顆粒是粒徑為100～150μm的SiO2顆粒，取0.5g粘結劑加入到1000g水中，攪拌均勻，然后將1.5g微纖和4.5g顆粒依次加入上述液體，攪拌成均勻漿液，粘結劑∶微纖∶微米尺度顆?！盟闹亓勘葹?∶3∶9∶2000。
第二步將第一步制得的漿液加入到盛有5000g水的過濾容器中，混和均勻后將水濾除，在過濾模具上形成濕濾餅，粘結劑加入水的重量比為1∶10000。
第三步將第二步制得的濕濾餅烘干，干濾餅在720℃的溫度下于空氣中燒結10分鐘，制得產品，燒結微纖結構化微米尺度顆粒的多孔復合材料。產品的空隙率為75％，微纖占產品總體積的10％。該產品標記為A′。
本實施例中的第一步中水的用量可以是300g，即粘結劑∶微纖∶微米尺度顆?！盟闹亓勘葹?∶3∶9∶600。其余均與本實施例相同。
本實施例中的第一步中SiO2顆粒粒徑可以是10～100μm。其余均與本實施例相同。
本實施例中的第一步中SiO2顆粒粒徑可以是150～500μm。其余均與本實施例相同。
本實施例中的第一步中微米尺度顆粒可以是Al2O3、多孔硅鋁酸鹽的顆粒。其余均與本實施例相同。
本實施例中的第一步中微米尺度顆?？梢允腔钚蕴嫉念w粒。第三步中的燒結氣氛為N2或H2。其余均與本實施例相同。
本實施例中的第一步中微纖可以是石英微纖，第三步中的燒結溫度為1200。其余均與本實施例相同。
本實施例中的第一步中微纖可以是玻璃微纖A、C或D。其余均與本實施例相同。
本實施例中的第一步中微纖可以是玻璃微纖R、ADVANTEX、ECRGlas。第三步中的燒結溫度為950℃。其余均與本實施例相同。
實施例2除以下不同外，其余均同實施例1。
第一步中，粘結劑和顆粒的加入量分別為0.9g和9.0g，粘結劑∶微纖∶微米尺度顆?！盟闹亓勘葹?∶1.66∶10∶1111。第二步中，粘結劑∶加入水的重量比為1∶5555。第三步中，燒結時間為40分鐘。產品的空隙率為65％，微纖占產品總體積的4.5％。該產品標記為B′。
實施例3除以下不同外，其余均同實施例1。
第一步中，微米尺度顆粒是粒徑為100～200μm的Al2O3的顆粒，加入量為9.0g，粘結劑的加入量為0.9g，粘結劑∶微纖∶微米尺度顆?！盟闹亓勘葹?∶1.66∶10∶1111。第二步中，粘結劑∶加入水的重量比為1∶5555。第三步中，燒結時間為40分鐘。產品的空隙率為67％，微纖占產品總體積的5％。該產品標記為C′。
實施例4除以下不同外，其余均同實施例1。
第一步中，微纖為S-2玻璃微纖，加入量為2.0g，粘結劑的加入量為1.0g，顆粒是粒徑為100～150μm的SiO2顆粒，加入量為10.0g，粘結劑∶微纖∶微米尺度顆?！盟闹亓勘葹?∶2∶10∶1000。第二步中，粘結劑∶加入水的重量比為1∶5000。第三步中，燒結溫度為950℃，燒結氣氛為空氣，燒結時間為30分鐘。產品的空隙率為64％，微纖占產品總體積的4.2％。該產品標記為D′。
實施例5
除以下不同外，其余均同實施例4。
第一步中，微纖為S-2玻璃微纖，加入量為2.0g，粘結劑的加入量為1.0g，顆粒為100～200μm的Al2O3顆粒，加入量為10.0g，粘結劑∶微纖∶微米尺度顆?！盟闹亓勘葹?∶2∶10∶1000。第二步中，粘結劑∶加入水的重量比為1∶5000。第三步中，燒結溫度為950℃、氣氛為空氣、燒結時間為30分鐘。產品的空隙率為66％，微纖占產品總體積的4.5％。該產品標記為E′。
權利要求
1.一種燒結微纖結構化微米尺度顆粒的多孔復合材料，其特征在于，含微纖和微米尺度顆粒，微纖是氧化物微纖，微米尺度顆粒是功能材料的顆粒，微纖的結合點燒結在一起，形成三維網狀結構，微米尺度的顆粒被均勻地束縛于呈三維網狀結構的微纖，該材料的空隙率為50～80％，微纖占該材料總體積的3～12％。
2.權利要求1所述的多孔復合材料的制造方法，其特征在于，操作步驟第一步依次將粘結劑、微纖和微米尺度顆粒加入到水中，攪拌成均勻的漿液，粘結劑∶微纖∶顆?！盟闹亓勘葹?∶1.66～3∶9～10∶300～2000，粘結劑是直徑和長度分別為10～100μm和1～10mm的非水溶性纖維素，微纖是玻璃微纖或石英微纖，微米尺度顆粒是粒徑為10～500μm的催化劑/吸附劑、大表面積多孔氧化物顆粒；第二步向第一步制得的漿液內加水，混和均勻后將水濾除，在過濾模具上形成濕濾餅，粘結劑加入水的重量比為1∶5000～10000；第三步將第二步制得的濕濾餅烘干，在600～1400℃的溫度下于空氣、H2或N2中燒結5～120分鐘，制得產品，燒結微纖結構化微米尺度顆粒的多孔復合材料。
3.根據(jù)權利要求2所述的多孔復合材料的制造方法，其特征在于，第一步中，微米尺度顆粒粒徑的優(yōu)化值為50～350μm。
4.根據(jù)權利要求2所述的多孔復合材料的制造方法，其特征在于，第一步中，微纖是玻璃微纖A、C、D、R、ADVANTEX和ECRGlas。
5.根據(jù)權利要求2所述的多孔復合材料的制造方法，其特征在于，第一步中，微纖是石英微纖，第三步中，燒結溫度為1200℃。
6.根據(jù)權利要求2所述的多孔復合材料的制造方法，其特征在于，第一步中，微米尺度顆粒是SiO2、Al2O3、多孔硅鋁酸鹽或活性碳的顆粒。
全文摘要
一種燒結微纖結構化微米尺度顆粒的多孔復合材料，含微纖和微米尺度顆粒，微纖是氧化物微纖，微米尺度顆粒是催化劑、吸附劑、磁性材料等的顆粒，微纖的結合點燒結在一起，形成三維網狀結構，微米尺度的顆粒被均勻地束縛于呈三維網狀結構的微纖。該材料的制法將選定比例的微纖、微米尺度顆粒、粘結劑和水混合，攪拌成漿液，成型模具上過濾，形成前驅體，將前驅體干燥，特定溫度和氣氛下使微纖與微纖的結合點燒結，得到該材料。該材料有微纖呈三維網狀結構，具有良好的抗腐蝕性、抗氧化性能，網絡孔口可連續(xù)調控，能大負載量地載持微米尺度顆粒，和易于制造、造價小的優(yōu)點。
文檔編號C04B35/64GK1762909SQ20051002887
公開日2006年4月26日 申請日期2005年8月17日 優(yōu)先權日2005年8月17日
發(fā)明者路勇, 劉月明, 楊建國, 何鳴元, 薛青松, 陳金春, 湯穎, 王紅 申請人:華東師范大學