專利名稱：：一種無機多孔陶瓷材料及其制備方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及陶瓷材料制備領域，具體的是涉及一種無機多孔陶瓷材料及其制備方法。
背景技術：
：氣固相反應是氣相組分在固體催化劑作用下的反應過程，是化學工業(yè)中應用最廣、規(guī)模最大的一種反應過程。據(jù)統(tǒng)計，90%左右的催化反應過程是氣固相催化反應過程。氣固相催化反應過程通常包括以下步驟(l)反應氣體經(jīng)過顆粒內微孔擴散到固體催化劑顆粒內表面。(2)反應氣體被催化劑表面活性中心吸附。(3)在表面活性中心上進行氣固相反應。(4)反應產(chǎn)物從表面活性中心脫附。(5)反應產(chǎn)物由催化劑顆粒外表面擴散返回氣流主體。目前雖然有報道同時含有硼元素和鐵元素的無機或有機材料，但通常不同時含鎂、鐵、硼、氧四種元素，且不是多孔型無機陶瓷材料。
發(fā)明內容本發(fā)明所要解決的問題是針對上述現(xiàn)有技術的不足而提供一種無機多孔陶瓷材料，其同時含鎂、鐵、硼、氧四種元素，機械性能穩(wěn)定。本發(fā)明的另一個目的是提供無機多孔陶瓷材料的制備方法，其工藝簡單、成本低廉，適合工業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明為解決上述提出的問題所采用解決方案為一種無機多孔陶瓷材料，其特征是由含硼化合物、含鎂化合物和含鐵化合物制備而成，所述的含鎂化合物、含鐵化合物和含硼化合物中Mg、Fe和B元素按摩爾配比為Mg:Fe:B=l:(0.101.65):(0.331.95)。按上述方案，所述的含硼化合物為硼酸(H3B03)、三氧化二硼(B203)、硼鐵粉、硼鎂鐵礦(Mg，F(xiàn)e)2Fe[B03]02和硼鎂石Mg2[B204(OH)](OH)中的任意一種或多種的混合。按上述方案，所述的含鎂化合物為鎂粉、氧化鎂、氯化鎂、氫氧化鎂、碳酸鎂、硼鎂鐵礦(Mg，F(xiàn)e)2Fe[B03]02和硼鎂石Mg2[B204(OH)](OH)中的任意一種或多種的混合。按上述方案，所述的含鐵化合物為氫氧化鐵(Fe(OH)3)、硝酸鐵(Fe(N03)39H20)、氧化鐵(Fe^)、鐵的硼酸鹽和硼鎂鐵礦(Mg，F(xiàn)e)2Fe[B03]02中的任意一種或多種的混合。上述無機多孔陶瓷材料制備方法所采用的技術方案是將原料含硼化合物、含鎂化合物和含鐵化合物通過混合、壓制成型和燒結得到無機多孔陶瓷材料，其中含硼化合物、含鎂化合物和含鐵化合物中B、Mg和Fe元素按摩爾配比為Mg:Fe:B=1:(0.101.65):(0.331.95)，所述的燒結工藝是常壓燒結或自蔓延反應燒結，常壓燒結溫度為1000150(TC，保溫時間為160分鐘；自蔓延反應燒結溫度為60085(TC，保溫時間為160分鐘。按上述方案，所述的混合工藝為干粉混合工藝、干粉球磨工藝或液相復合工藝。3按上述方案，所述的液相復合工藝是向原料中加入2528wt.%的濃氨水，混合攪拌15小時，然后將所得混合液抽濾、洗滌，洗滌后所得濾餅放入8(TC真空干燥箱中干燥68小時，取出粉碎即可。按上述方案，所述的壓制成型工藝是將混合后所得的物料倒入鋼制模具中，利用500噸壓力機，保壓1090分鐘。上述液相復合工藝的包覆過程中發(fā)生的化學反應式舉例如下H3B03+Fe3++Mg2++0H——Fe(0H)萬B0,Mg(OH)2I即Fe"、Mg"與OH—反應形成Fe(0H)3、Mg(0H)2，包裹H3B03顆粒形成沉淀。本發(fā)明所用的原料除硼鎂鐵礦、硼鎂石、三氧化二硼是工業(yè)原料外，其他含鐵化合物、含鎂化合物、硼酸以及其它試劑都是分析純或化學純試劑。本發(fā)明制備所述的無機多孔陶瓷材料過程主要特征如下由含硼、鎂、鐵元素的化合物通過燒結反應制得，燒結反應溫度大于IOO(TC。經(jīng)過高溫燒結反應處理之后，形成的多孔材料性質穩(wěn)定，在80(TC及以下空氣中不發(fā)生分解失重，也不發(fā)生氧化增重。實驗表明，在80(TC保溫24小時最大失重率和最大增重率都小于5wt.%，抗壓強度為1.022.50MPa，體積密度為1.257.50g/cm3。所述無機多孔陶瓷材料制備反應舉例如下Mg+Fe(OH)3+H3B03—[Mg-Fe-B-O]+3H20t(1)如式(1)所示，Mg、Fe(0H)3與H3B03反應，生成[Mg-Fe-B-O]多孔陶瓷材料的同時，水蒸氣或水蒸氣在高溫下分解產(chǎn)生的02和H2使得燒結產(chǎn)物呈現(xiàn)多孔蜂窩狀固體。包含毛細孔、微孔和氣泡孔，無規(guī)則分布，孔徑范圍lnm5mm。本發(fā)明的有益效果在于(1)含鎂、鐵、硼、氧的無機多孔陶瓷材料的制備方法是通過將含有硼源、鎂源、鐵源和氧源的化合物原料混合和燒結制備得到，其制備工藝包括混合和燒結兩個步驟，工藝簡單、成本低廉，適合工業(yè)化生產(chǎn)。(2)含鎂、鐵、硼、氧的無機多孔陶瓷材料可用作催化劑載體、氣固相反應填料以及硼源前驅體，也可作為吸附劑。(3)含鎂、鐵、硼、氧的無機多孔陶瓷材料在80(TC保溫24小時最大失重率和最大增重率都小于5wt.%，抗壓強度為1.022.50MPa，體積密度為1.257.50g/cm3。圖1為本發(fā)明無機多孔陶瓷材料的制備工藝流程示意圖；圖2是所得到的無機多孔陶瓷材料實物照片。其中圖2(a)、圖2(b)和圖2(c)分別為實施例1、實施例2和實施例4對應的無機多孔陶瓷材料樣品。具體實施例方式下面通過實施例進一步介紹本發(fā)明，但是實施例不會構成對本發(fā)明的限制。本發(fā)明技術方案中所列舉的各原料都能實現(xiàn)本發(fā)明，以及各原料的上下限取值、區(qū)間值都能實現(xiàn)本發(fā)明；在此不一一列舉實施例。本發(fā)明的工藝參數(shù)(如溫度、時間和轉速等)的上下限取值、區(qū)間值都能實現(xiàn)本發(fā)明，在此不一一列舉實施例。實施例1按照物料干混和燒結工藝，以Mg為鎂源，F(xiàn)e(OH)3為鐵源，H3B03為硼源，無機多孔陶瓷材料制備步驟如下。第一步配料Mg、Fe(0H)3、H3B03都是分析純試劑，稱取19.56gMg，28.51gFe(OH)3，16.54gH3B03，其中摩爾比Mg:Fe:B為1:0.33:0.33。第二步混料將稱量好的Mg、Fe(OH)3和H3B03加入高速混料機(18000轉/分鐘)混合5分鐘，使其充分均勻。第三步成型將混合料倒入鋼制模具中，利用500噸壓力機，保壓18分鐘，成型，取出。第四步反應燒結將成型的物料放入反應罐中，不需要密封。將反應罐置入加熱爐中，在65(TC下保溫20分鐘，自然冷卻，開罐取出產(chǎn)物，外觀為黑色蜂窩狀，如圖2(a)所示，稱量質量為49.32g。實施例2按照物料球磨和燒結工藝，以Mg(OH)2、Mg為鎂源，硝酸鐵為鐵源，B203為硼源，無機多孔陶瓷材料制備步驟如下。第一步配料Mg(0H)2、Mg、Fe(N03)3、B203都為分析純試劑，稱取15.31gMg(0H)2，38.31gMg，63.46gFe(N03)3，36.55g8203，其中摩爾比]\%:Fe:B為l:0.14:0.57。第二步球磨將配好的原料倒入鋼球球磨罐，調整球磨機參數(shù)，自轉500轉/分，公轉250轉/分，球磨16小時。第三步成型將球磨物料倒入鋼制模具中，利用500噸壓力機，保壓18分鐘。第四步反應燒結將成型的物料放入反應罐中，不需要密封。將反應罐置入加熱爐中，在70(TC下保溫15分鐘，自然冷卻，開罐取出產(chǎn)物，外觀為黑色蜂窩狀。如圖2(b)所示，稱量，質量為98.26g。實施例3按照液相復合和燒結工藝，以MgC03、Mg為鎂源，F(xiàn)eCly硼鐵(FeB,》、B203為鐵源和硼源介紹MgFeBO無機多孔陶瓷材料制備工藝。第一步配料MgC03、Mg、FeCly硼鐵粉、B203都是分析純試劑，稱取8.06gMgC03，20.93gMg，15.51gFeCl3，50g硼鐵粉，20.01gB203，其中摩爾比Mg:Fe:B為1:0.85:1.58。第二步反應包覆將稱量好的物料倒入1000ml燒杯中，加入40g質量分數(shù)為2528%濃氨水，攪拌5小時。第三步除水粉碎過程將混合液抽濾、洗滌。濾餅放入8(TC真空干燥箱中干燥6小時，取出粉碎。第四步成型將混合料倒入鋼制模具中，利用500噸壓力機，保壓25分鐘。第五步燒結將成型塊狀物放入反應罐，置入氬氣保護的加熱爐中，在120(TC保溫20分鐘，稱量，質量為98.34g。實施例4按照干混和燒結工藝，以Mg為鎂源，？6203、硼鐵(FeB13)、B203為鐵源和硼源，無機多孔陶瓷材料制備工藝。第一步配料Mg、Fe^3、硼鐵、B203都是分析純試劑，稱取23.94gMg，5.83gFe203，22.31gB203，50g硼鐵，其中摩爾比Mg:Fe:B為1:0.81:1.17。第二步混料將稱量好的原料加入高速混料機(18000轉/分鐘)混合8分鐘，使其充分均勻。第三步成型將混合料倒入鋼制模具中，利用500噸壓力機，保壓30分鐘成型。第四步反應燒結將成型的物料放入反應罐中，不需要密封。將反應罐置入加熱爐中，在75(TC下保溫15分鐘，自然冷卻，開罐取出產(chǎn)物，外觀為黑色蜂窩狀，如圖2(c)所示，稱量，質量為49.32g。實施例5按照球磨和燒結工藝，以Mg2[B204(OH)](OH)、Mg作為硼源和鎂源，以硼鐵(FeB13)、Fe3B06為鐵源和硼源，無機多孔陶瓷材料制備步驟如下。第一步配料Mg、FeBu、Fe3B06都為分析純試齊U，Mg2[B204(OH)](OH)為礦物。稱取13.09gMg2[B204(OH)](OH)，17.10gMg，21.35gFe3B06，50.OlgFeBu，其中摩爾比Mg:Fe:B為1:1.09:1.36。第二步球磨將配好的原料倒入鋼球球磨罐，調整球磨機參數(shù)，自傳450轉/分，公轉220轉/分，球磨12小時。第三步成型將球磨物料倒入鋼制模具中，利用500噸壓力機，保壓40分鐘，成型，取出。第四步反應燒結將成型的物料放入反應罐中，置入加熱爐中在75(TC下保溫15分鐘，自然冷卻，開罐取出產(chǎn)物，外觀為黑色蜂窩狀。稱量，質量為97.34g。實施例6按照液相復合混合和燒結工藝，以Mg為鎂源，以Fe(N03)3為鐵源、以H3B03為硼源，以硼鎂鐵礦(Mg，F(xiàn)e^Fe[B03](^鐵源、鎂源和硼源，無機多孔陶瓷材料制備第一步配料Mg、FeClp硼鐵、B203都是分析純試劑，(Mg，F(xiàn)e)2Fe[B03]02為礦物。稱取35.12gMg，25.91gFe(N03)3，46.33gH3B03，32.86g(Mg，F(xiàn)e)2Fe[B03]02，其中摩爾比Mg:Fe:B為1:0.26:0.52。第二步包覆將稱量好的物料倒入1000ml燒杯中，加入30g質量分數(shù)為2528%濃氨水，攪拌4小時。第三步脫水粉碎過程將混合液抽濾、洗滌，濾餅放入80°C真空干燥箱中干燥6小時，取出粉碎。第四步成型將混合料倒入鋼制模具中，利用500噸壓力機，保壓16分鐘。第五步反應燒結將成型塊狀物放入反應罐，置入加熱爐中在1300°C保溫14分鐘。稱量，質量為97.62g。燒結后所得無機多孔陶瓷材料樣品的抗壓強度測試是利用SDY型多孔陶瓷抗壓強度試驗儀測定。儀器技術參數(shù)如下最大載荷50000(N)，加荷速率40-1000N/min(O.5-4MPa/s)可調，數(shù)據(jù)電腦處理精度0.5%。樣品EDS測量采用FALCON型X-射線能譜儀。體積密度通過測量其不含游離水材料的質量與材料總體積測定。所制備的無機多孔陶瓷材料具有不同的元素比例，抗壓強度與體積密度如表1所示。表1無機多孔陶瓷材料性質一覽表<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>權利要求一種無機多孔陶瓷材料，其特征是由含硼化合物、含鎂化合物和含鐵化合物制備而成，所述的含鎂化合物、含鐵化合物和含硼化合物中Mg、Fe和B元素按摩爾配比為Mg∶Fe∶B＝1∶(0.10～1.65)∶(0.33～1.95)。2.按權利要求1所述的無機多孔陶瓷材料，其特征是所述的含硼化合物為硼酸、三氧化二硼、硼鐵粉、硼鎂鐵礦和硼鎂石中的任意一種或多種的混合。3.按權利要求1所述的無機多孔陶瓷材料，其特征是所述的含鎂化合物為鎂粉、氧化鎂、氯化鎂、氫氧化鎂、碳酸鎂、硼鎂鐵礦和硼鎂石中的任意一種或多種的混合。4.按權利要求1所述的無機多孔陶瓷材料，其特征是所述的含鐵化合物為氫氧化鐵、硝酸鐵、氧化鐵、鐵的硼酸鹽和硼鎂鐵礦中的任意一種或多種的混合。5.權利要求1所述的無機多孔陶瓷材料的制備方法其特征是將原料含硼化合物、含鎂化合物和含鐵化合物通過混合、壓制成型和燒結得到無機多孔陶瓷材料，其中含硼化合物、含鎂化合物和含鐵化合物中B、Mg和Fe元素按摩爾配比為Mg:Fe:B=l:(0.101.65):(0.331.95)，所述的燒結工藝是常壓燒結或自蔓延反應燒結，常壓燒結溫度為1000150(TC，保溫時間為160分鐘；自蔓延反應燒結溫度為60085(TC，保溫時間為160分鐘。6.按權利要求5所述的無機多孔陶瓷材料的制備方法其特征是所述的混合工藝為干粉混合工藝、干粉球磨工藝或液相復合工藝。7.按權利要求5所述的無機多孔陶瓷材料的制備方法其特征是所述的液相復合工藝是向原料中加入2528wt.%的濃氨水，混合攪拌15小時，然后將所得混合液抽濾、洗滌，洗滌后所得濾餅放入8(TC真空干燥箱中干燥68小時，取出粉碎即可。8.按權利要求5所述的無機多孔陶瓷材料的制備方法其特征是所述的壓制成型工藝是將混合后所得的物料倒入鋼制模具中，利用500噸壓力機，保壓1090分鐘。全文摘要本發(fā)明涉及一種無機多孔陶瓷材料及其制備方法，是由含硼化合物、含鎂化合物和含鐵化合物制備而成，所述的含鎂化合物、含鐵化合物和含硼化合物中Mg、Fe和B元素按摩爾配比為Mg∶Fe∶B＝1∶(0.10～1.65)∶(0.33～1.95)，通過混合、壓制成型和燒結得到無機多孔陶瓷材料。本發(fā)明的有益效果在于(1)工藝簡單、成本低廉；(2)無機多孔陶瓷材料可用作催化劑載體、氣固相反應填料以及硼源前驅體，也可作為吸附劑；(3)無機多孔陶瓷材料在800℃保溫24小時最大失重率和最大增重率都小于5wt.％，抗壓強度為1.02～2.50MPa，體積密度為1.25～7.50g/cm3。文檔編號C04B35/622GK101781123SQ201010112000公開日2010年7月21日申請日期2010年2月9日優(yōu)先權日2010年2月9日發(fā)明者張芳,徐軍,王吉林,谷云樂,黃志良申請人:武漢工程大學