專利名稱：蛋白發(fā)泡法制備泡沫陶瓷用固化成型模具及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種泡沫陶瓷制備模具及制備方法，尤其涉及到一種蛋白發(fā)泡法制備泡沫陶瓷用固化成型模具及制備方法。
背景技術(shù)：
泡沫陶瓷由于具有低密度、低熱導(dǎo)、比表面積大、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于過(guò)濾、熱工、隔熱、吸音、電子、光電、傳感、環(huán)境生物及化學(xué)等領(lǐng)域，可用作污水處理材料、熔融金屬過(guò)濾材料、催化劑載體、生物功能材料、隔音吸聲材料以及隔熱材料等。然而由于泡沫陶瓷的制備工藝復(fù)雜，制備成本較高，導(dǎo)致泡沫陶瓷在實(shí)際中的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了人們的預(yù)期，因此，使用低成本技術(shù)制備出孔徑分布均勻、力學(xué)性能優(yōu)良、孔隙率高的泡沫陶瓷成為當(dāng)前的迫切需求。

目前常用的泡沫陶瓷制備方法主要有添加造孔劑法、有機(jī)泡沫浸潰法和發(fā)泡法。添加造孔劑法可以通過(guò)控制造孔劑的添加量和粒徑進(jìn)而控制泡沫陶瓷孔隙率和孔徑，其工藝過(guò)程復(fù)雜且制備高孔隙率的泡沫陶瓷工藝難度較大。有機(jī)泡沫浸潰法能制備出孔隙率較高且為開(kāi)孔的泡沫陶瓷，但是因制品的力學(xué)性能較差而限制了其應(yīng)用。利用生物高分子如蛋白質(zhì)、淀粉等發(fā)泡，不僅可以制備出力學(xué)性能優(yōu)異的高孔隙率泡沫陶瓷，而且還可以通過(guò)控制發(fā)泡和固化工藝進(jìn)而控制泡沫陶瓷的孔隙率和孔徑分布。蛋白質(zhì)是一種生物高分子材料，在水溶液中表現(xiàn)出表面活性劑的一些特殊性質(zhì)，能吸附在氣-液表面從而提高氣泡在水溶液中的穩(wěn)定性獲得泡沫漿料。當(dāng)泡沫漿料受熱或者PH發(fā)生變化時(shí)，蛋白質(zhì)會(huì)發(fā)生不可逆變性，形成三維網(wǎng)絡(luò)，從而固定泡沫漿料的孔隙結(jié)構(gòu)。蛋白發(fā)泡所使用的原料無(wú)毒、來(lái)源廣泛、成本低且對(duì)環(huán)境的污染小，是一種理想的泡沫陶瓷制備方法。蛋白發(fā)泡法制備泡沫陶瓷的過(guò)程中，固化工藝是其中最關(guān)鍵、最難控制的環(huán)節(jié)，它不僅決定著坯體的成型性，還在很大程度上決定制品的孔隙結(jié)構(gòu)和孔徑分布。國(guó)內(nèi)外大量研究表明，漿料中氣泡內(nèi)外的壓力差是氣泡長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力，控制的氣泡的大小。目前常用的固化工藝中漿料固化氣壓不可控，從而導(dǎo)致坯體開(kāi)裂和制品的孔徑分布不均勻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低且易于控制的蛋白發(fā)泡法制備泡沫陶瓷用固化成型模具及制備方法。為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為蛋白發(fā)泡法制備泡沫陶瓷用固化成型模具，所述固化成型模具包括模具本體和模具蓋，所述模具本體與模具蓋密封連接并形成中空的模腔，所述模具蓋上設(shè)有氣壓控制閥門，所述氣壓控制閥門上設(shè)有連通模腔與外界的氣流通道，所述氣壓控制閥門的啟閉由模腔與外界的大氣壓差進(jìn)行調(diào)節(jié)。作為一個(gè)總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種蛋白發(fā)泡制備泡沫陶瓷的方法，包括以下步驟(1)制備泡沫漿料將氮化硅粉、氧化鈰、氧化鋁和D3005分散劑混合溶于水中，球磨20h 30h,然后向球磨后的混合組分中加入蛋清蛋白粉,繼續(xù)球磨Ih 4h得泡沫衆(zhòng)料；
(2)固化成型將所述泡沫漿料注入一固化成型模具中，將固化成型模具置于水浴中，使所述泡沫漿料在水浴中固化，保溫，然后將所述裝有泡沫漿料的固化成型模具隨水浴一起自然冷卻到室溫，固化成型后所述泡沫漿料形成坯體；
(3)坯體干燥將裝有所述坯體的所述固化成型模具在室溫下靜置于空氣中，隨后將所述坯體從模具中取出進(jìn)行干燥處理，得到泡沫陶瓷坯體；
(4)蛋白質(zhì)燒除將泡沫陶瓷坯體升溫至蛋白質(zhì)燒除溫度，保溫；
(5)陶瓷燒結(jié)將經(jīng)過(guò)步驟(4)的泡沫陶瓷坯體在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行升溫?zé)Y(jié)，保溫，得到泡沫陶瓷。 上述方法的步驟(I)中，所述氮化硅粉相對(duì)于水的添加量?jī)?yōu)選為25vol.% 60vol. %,所述氧化鋪、氧化招相對(duì)于氮化娃粉的添加量分別優(yōu)選為2wt. % 6wt. %、
0.5wt. % 2wt. %，所述D3005分散劑相對(duì)于固相成分的添加量為0. 2wt. % 0. 6wt. %，所述蛋清蛋白粉的加入量為所述球磨后的混合組分的4wt. % IOwt. %。上述方法的步驟(2)中，所述水浴溫度優(yōu)選為70°C 100°C，所述保溫時(shí)間優(yōu)選為Ih 3h。優(yōu)選的，上述方法的步驟(3)中，所述坯體在室溫下靜置于空氣中的時(shí)間為IOh 24h，所述干燥處理的溫度為40°C 60°C，處理時(shí)間為4h 10h。優(yōu)選的，上述方法的步驟(4)中，所述泡沫陶瓷坯體升溫的速率為1°C /min 50C /min，所述蛋白質(zhì)燒除溫度為500°C 600°C，所述保溫時(shí)間為Ih 3h。優(yōu)選的，上述步驟(5)中，所述燒結(jié)采用的溫度為1600°C 1800°C，所述步驟(5)中所述升溫的速率為20°C /min 45°C /min，所述保溫的時(shí)間為0. 5h 3h。上述方法的步驟(2)中，固化成型可以是在敞開(kāi)的成型模具中進(jìn)行，此時(shí)固化成型壓力恒為常壓；也可以是在完全密封的成型模具中進(jìn)行，此時(shí)固化成型的壓力隨著溫度的升高而不斷增加；但最優(yōu)選的技術(shù)方案為采用上述的蛋白發(fā)泡法制備泡沫陶瓷用固化成型模具進(jìn)行固化成型，該固化成型模具中的氣體由于受熱膨脹會(huì)產(chǎn)生一定的壓力，此時(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)模具蓋上的氣壓控制閥門從而達(dá)到控制固化氣壓恒定且高于常壓的目的，在該優(yōu)選的技術(shù)方案下，所述固化成型過(guò)程中的固化壓力優(yōu)選控制在IOlkPa 106kPa。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
(I)制品成型性好?，F(xiàn)有蛋白發(fā)泡法制備泡沫陶瓷固化一般在烘箱中進(jìn)行，固化環(huán)境中空氣濕度較小，泡沫漿料表面失水較快，導(dǎo)致試樣開(kāi)裂。本發(fā)明的泡沫漿料是置于特制固化成型模具中，固化環(huán)境中濕度較大，能有效克服泡沫漿料失水較快的難題，因而樣品成型性較好。(2)固化工藝過(guò)程中氣壓可控?，F(xiàn)有的蛋白發(fā)泡固化制備泡沫陶瓷工藝過(guò)程中，漿料的固化氣壓不可控，該固化成型模具模仿壓力鍋的工作原理，可以通過(guò)調(diào)節(jié)模具的密封性，進(jìn)而對(duì)固化氣壓進(jìn)行控制，從而控制制品的孔徑分布。(3)制品孔隙率高，孔徑較大，孔徑分布均勻。采用新型固化工藝制備出的泡沫陶瓷開(kāi)孔率和平均孔徑明顯高于目前常用的兩種固化工藝。(4)設(shè)備要求簡(jiǎn)單，成本低。本發(fā)明技術(shù)方法使用的固化設(shè)備為水浴鍋，設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低廉。制備過(guò)程使用的蛋白質(zhì)粉來(lái)源廣泛，成本投入小，且對(duì)環(huán)境無(wú)污染。


圖I為本發(fā)明中使用的固化成型模具的照片。圖2為本發(fā)明實(shí)施例4中形成的泡沫氮化硅陶瓷坯體照片。圖3為本發(fā)明實(shí)施例4中形成的氮化硅泡沫陶瓷成品照片。圖4為本發(fā)明實(shí)施例2中制備的氮化硅陶瓷孔隙結(jié)構(gòu)照片。圖5為本發(fā)明實(shí)施例3中制備的氮化硅陶瓷孔隙結(jié)構(gòu)照片。 圖6為本發(fā)明實(shí)施例4中制備的氮化硅陶瓷孔隙結(jié)構(gòu)照片。圖7為本發(fā)明實(shí)施例2中制備的氮化硅陶瓷孔壁形貌照片。圖8為本發(fā)明實(shí)施例3中制備的氮化硅陶瓷孔壁形貌照片。圖9為本發(fā)明實(shí)施例4中制備的氮化硅陶瓷孔壁形貌照片。圖10為本發(fā)明固化成型模具的主視圖。圖11為本發(fā)明固化成型模具的俯視圖。圖12為本發(fā)明固化成型模具過(guò)中軸線的主剖視圖。圖13為本發(fā)明實(shí)施例中氣壓控制閥的立體圖。圖14為本發(fā)明固化成型模具的工作原理圖。圖例說(shuō)明
I、模具本體；2、模具蓋；3、氣壓控制閥門；4、模腔；5、氣流通道。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合說(shuō)明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例I :蛋白發(fā)泡法制備泡沫陶瓷用固化成型模具。一種如圖I、圖10 圖14所示的本發(fā)明的蛋白發(fā)泡法制備泡沫陶瓷用固化成型模具，本實(shí)施例的固化成型模具包括模具本體I和模具蓋2，模具本體I與模具蓋2密封連接并形成中空的模腔4，模具蓋2上設(shè)有氣壓控制閥門3(參見(jiàn)圖13)，氣壓控制閥門3上設(shè)有連通模腔4與外界的氣流通道5，氣壓控制閥門3的啟閉由模腔4與外界的大氣壓差進(jìn)行調(diào)節(jié)。如圖14所示，模具內(nèi)氣壓控制原理為在固化成型過(guò)程中，隨著固化溫度的升高，模具內(nèi)氣體壓力升高，當(dāng)氣壓超過(guò)一定值時(shí)，氣壓控制閥在內(nèi)部氣體壓力作用下被頂開(kāi)，進(jìn)行泄壓；當(dāng)模具內(nèi)部氣壓低于此臨界值時(shí)，模具內(nèi)部氣壓控制閥關(guān)閉，最終保持固化過(guò)程中模具內(nèi)部氣壓恒定。實(shí)施例2 :蛋白發(fā)泡法制備泡沫陶瓷的方法。一種本發(fā)明的蛋白發(fā)泡法制備氮化硅陶瓷的方法，包括以下步驟
(1)制備泡沫漿料將氮化硅粉末、燒結(jié)助劑氧化鈰和氧化鋁及羅門哈斯公司產(chǎn)的DURAMAX-D3005分散劑混合溶于水，氮化硅粉末相對(duì)于溶劑水的添加量為40vol. %，燒結(jié)助劑氧化鈰和氧化鋁相對(duì)于氮化硅粉的添加量分別為6被％和2wt%，D3005分散劑相對(duì)于固相成分的添加量為0. 35wt. %,球磨20小時(shí)；再向球磨后的混合組分中加入其8wt. %的蛋清蛋白粉，球磨2小時(shí)后得到泡沫漿料；
(2)固化成型將獲得的泡沫漿料注入到一敞口成型模具中(模具開(kāi)口，固化成型壓力維持常壓)，隨后將裝有泡沫漿料的模具置于水浴中，隨水浴一起加熱到80°C固化成型，固化氣壓一直保持為常壓，保溫I小時(shí)后裝有泡沫漿料的模具隨水浴一起自然冷卻到室溫，固化成型后泡沫漿料形成坯體；
(3)坯體干燥將裝有坯體的模具在空氣中靜置24小時(shí)后，將坯體從模具中取出置于60°C的烘箱中烘干5h，得到泡沫陶瓷坯體；
(4)蛋白質(zhì)燒除將泡沫陶瓷坯體置于馬弗爐中，以1°C/min的升溫速率升到600°C燒除蛋白，保溫I小時(shí)；
(5)陶瓷燒結(jié)將蛋白質(zhì)燒除后的泡沫陶瓷坯體放入高溫?zé)Y(jié)爐中以30°C/min的升溫速率升至1700°C進(jìn)行燒結(jié)，根據(jù)泡沫陶瓷坯體大小保溫0. 5 3小時(shí)，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下常壓燒結(jié)制備得到氮化硅泡沫陶瓷。 經(jīng)以上工藝制備得到的氮化硅泡沫陶瓷成型性好，沒(méi)有變形開(kāi)裂，開(kāi)孔率為74. 5%，平均孔徑為190 u m,密度為0. 76 g/cm3,制品的孔隙形貌與孔壁形貌分別如圖4和圖7所示。實(shí)施例3
一種本發(fā)明的蛋白發(fā)泡法制備氮化硅陶瓷的方法，包括以下步驟
(1)制備泡沫漿料將氮化硅粉末、燒結(jié)助劑氧化鈰和氧化鋁及羅門哈斯公司產(chǎn)的DURAMAX-D3005分散劑混合溶于水，氮化硅粉末相對(duì)于溶劑水的添加量為40vol. %，燒結(jié)助劑氧化鈰和氧化鋁相對(duì)于氮化硅粉的添加量分別為6被％和2wt%，D3005分散劑相對(duì)于固相成分的添加量為0. 35wt. %，球磨20小時(shí)；再向球磨后的混合組分中加入其8 wt. %的蛋清蛋白粉，球磨2小時(shí)后得到泡沫漿料；
(2)固化成型將獲得的泡沫漿料注入到一完全密閉型模具中(將模具完全密封，固化成型壓力不斷增大)，隨后將裝有泡沫漿料的模具置于水浴中，隨水浴一起加熱到80°C固化成型，固化過(guò)程中模具內(nèi)的氣壓隨著水浴溫度的升高而升高，保溫Ih后裝有泡沫漿料的模具隨水浴一起自然冷卻到室溫，固化成型后泡沫漿料形成坯體；
(3)坯體干燥將裝有坯體的模具在空氣中靜置24h后，將坯體從模具中取出置于60°C的烘箱中烘干5h，得到泡沫陶瓷坯體；
(4)蛋白質(zhì)燒除將泡沫陶瓷坯體置于馬弗爐中，以1°C/min的升溫速率升到600°C燒除蛋白，保溫I小時(shí)；
(5)陶瓷燒結(jié)將燒除蛋白質(zhì)后的泡沫陶瓷坯體放入高溫?zé)Y(jié)爐中以30°C/min的升溫速率升至1700°C進(jìn)行燒結(jié)，根據(jù)泡沫陶瓷坯體大小保溫0. 5 3小時(shí)，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下常壓燒結(jié)制備得到氮化硅陶瓷。經(jīng)以上工藝制備得到的氮化硅陶瓷成型性好，沒(méi)有變形開(kāi)裂，開(kāi)孔率為65. 9%，平均孔徑為138 ym，密度為I. lOg/cm3。制品的孔隙形貌與孔壁形貌分別如圖5和圖8所示。實(shí)施例4
一種采用本發(fā)明實(shí)施例I的固化成型模具的蛋白發(fā)泡法制備氮化硅陶瓷的方法，包括以下步驟
(I)制備泡沫漿料將氮化硅粉末、燒結(jié)助劑氧化鈰和氧化鋁及羅門哈斯公司產(chǎn)的DURAMAX-D3005分散劑混合溶于水，氮化硅粉末相對(duì)于溶劑水的添加量為40vol. %，燒結(jié)助劑氧化鈰和氧化鋁相對(duì)于氮化硅粉的添加量分別為6被％和2wt%，D3005分散劑相對(duì)于固相成分的添加量為0. 35wt. %，球磨20小時(shí)；再向球磨后的混合組分中加入其8 Wt. %的蛋清蛋白粉，球磨2小時(shí)后得到泡沫漿料；
(2)固化成型將獲得的泡沫漿料注入到實(shí)施例I的固化成型模具中，將裝有泡沫漿料的固化成型模具置于水浴中，隨水浴一起加熱到80°C固化成型，固化過(guò)程中模具內(nèi)氣體壓力先隨溫度升高而升高，最終恒定為104k Pa，保溫Ih后裝有泡沫漿料的固化成型模具隨水浴一起自然冷卻到室溫，固化成型后泡沫漿料形成坯體；
(3)坯體干燥將裝有坯體的模具在空氣中靜置24h后，將坯體從模具中取出置于60°C的烘箱中烘干5h，得到泡沫陶瓷坯體，如圖2所示；
(4)蛋白質(zhì)燒除將氮化硅陶瓷坯體置于馬弗爐中，以1°C/min的升溫速率升到600°C燒除蛋白，保溫I小時(shí)；
(5)陶瓷燒結(jié)將燒除蛋白質(zhì)后的泡沫陶瓷坯體放入高溫?zé)Y(jié)爐中以30°C/min的升溫速率升至1700°C進(jìn)行燒結(jié)，根據(jù)泡沫陶瓷坯體大小保溫0. 5 3小時(shí)，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下常壓燒結(jié)制備得到氮化硅陶瓷，如圖3所示。經(jīng)以上工藝制備得到的氮化硅陶瓷成型性好，沒(méi)有變形開(kāi)裂，開(kāi)孔率為78. 6%，平均孔徑為210 u m，密度為0. 69g/cm3。制品的孔隙形貌與孔壁形貌分別如圖6和圖9所示。
權(quán)利要求
1.蛋白發(fā)泡法制備泡沫陶瓷用固化成型模具，所述固化成型模具包括模具本體和模具蓋，其特征在于所述模具本體與模具蓋密封連接并形成中空的模腔，所述模具蓋上設(shè)有氣壓控制閥門，所述氣壓控制閥門上設(shè)有連通模腔與外界的氣流通道，所述氣壓控制閥門的啟閉由模腔與外界的大氣壓差進(jìn)行調(diào)節(jié)。
2.一種蛋白發(fā)泡制備泡沫陶瓷的方法，包括以下步驟 (O制備泡沫漿料將氮化硅粉、氧化鈰、氧化鋁和D3005分散劑混合溶于水中，球磨20h 30h,然后向球磨后的混合組分中加入蛋清蛋白粉,繼續(xù)球磨Ih 4h得泡沫衆(zhòng)料； (2)固化成型將所述泡沫漿料注入一固化成型模具中，將固化成型模具置于水浴中，使所述泡沫漿料在水浴中固化，保溫，然后將所述裝有泡沫漿料的固化成型模具隨水浴一起自然冷卻到室溫，固化成型后所述泡沫漿料形成坯體； (3)坯體干燥將裝有所述坯體的所述固化成型模具在室溫下靜置于空氣中，隨后將所述坯體取出進(jìn)行干燥處理，得到泡沫陶瓷坯體； (4)蛋白質(zhì)燒除將泡沫陶瓷坯體升溫至蛋白質(zhì)燒除溫度，保溫； (5)陶瓷燒結(jié)將經(jīng)過(guò)步驟(4)的泡沫陶瓷坯體在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行升溫?zé)Y(jié)，保溫，得到泡沫陶瓷。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于所述步驟(I)中，所述氮化硅粉相對(duì)于水的添加量為25vol. % 60vol. %,所述氧化鋪、氧化招相對(duì)于氮化娃粉的添加量分別為2wt. % 6wt. %、O. 5wt. % 2wt. %，所述D3005分散劑相對(duì)于固相成分的添加量為O. 2wt. % O. 6wt. %,所述蛋清蛋白粉的加入量為所述球磨后的混合組分的4wt. % IOwt. %o
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于所述步驟(2)中，所述水浴溫度為70°C 100°C，所述保溫時(shí)間為Ih 3h。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于所述步驟(3)中，所述坯體在室溫下靜置于空氣中的時(shí)間為IOh 24h，所述干燥處理的溫度為40°C 60°C，處理時(shí)間為4h 10h。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于所述步驟(4)中，所述坯體升溫的速率為I0C /min 5°C /min,所述蛋白質(zhì)燒除溫度為500°C 600°C,所述保溫時(shí)間為Ih 3h。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于所述步驟(5)中，所述燒結(jié)采用的溫度為1600°C 1800°C，所述升溫的速率為20°C /min 45°C /min，所述保溫的時(shí)間為O. 5 3h。
8.根據(jù)權(quán)利要求2 7中任一項(xiàng)所述方法，其特征在于所述步驟(2)中，所述固化成型模具為權(quán)利要求I所述的固化成型模具，所述固化成型過(guò)程中的固化壓力控制在IOlkPa 106kPa。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種蛋白發(fā)泡法制備泡沫陶瓷用固化成型模具，包括模具本體和模具蓋，模具本體與模具蓋密封連接形成模腔，模具蓋上設(shè)有氣壓控制閥門，閥門上設(shè)有氣流通道，氣壓控制閥門的啟閉由模腔與外界的大氣壓差進(jìn)行調(diào)節(jié)。本發(fā)明還公開(kāi)了一種蛋白發(fā)泡制備泡沫陶瓷的方法，先將各原料混合溶于水中球磨，然后加入蛋清蛋白粉得泡沫漿料；再注入固化成型模具中，使其在水浴中固化形成坯體；然后對(duì)坯體干燥處理，并升溫至蛋白質(zhì)燒除溫度，保溫；最后在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行升溫?zé)Y(jié)，保溫，得到泡沫陶瓷。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于控制、產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C04B38/06GK102765126SQ20121021498
公開(kāi)日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2012年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月27日
發(fā)明者余金山, 劉榮軍, 周新貴, 張長(zhǎng)瑞, 楊會(huì)永, 楊備, 殷劉彥, 王洪磊, 羅征, 趙爽 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)