一種重氣體保護(hù)直接發(fā)泡法制備多孔陶瓷的方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于無機(jī)非金屬材料領(lǐng)域，涉及一種重氣體保護(hù)直接發(fā)泡法制備多孔陶瓷的方法及裝置。工藝過程包括：懸浮料漿的配置過程，真空除氣泡過程，重氣體去除環(huán)境空氣過程，重氣體保護(hù)攪拌發(fā)泡過程，澆注過程，脫模、干燥過程，燒結(jié)過程。工藝特點(diǎn)為：采用重氣體(氬氣或二氧化碳?xì)怏w)保護(hù)攪拌發(fā)泡制備泡沫陶瓷，并設(shè)計(jì)了水基陶瓷料漿發(fā)泡專用裝置。本發(fā)明采用重氣體向上排空氣法攪拌發(fā)泡法制備泡沫陶瓷，裝備簡單、操作方便；泡沫陶瓷料漿發(fā)生自由基聚合反應(yīng)凝膠固化，凝膠速度快，坯體孔徑分布均勻，適合制備孔徑介于50～300μm范圍內(nèi)的多孔陶瓷材料。
【專利說明】
一種重氣體保護(hù)直接發(fā)泡法制備多孔陶瓷的方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無機(jī)非金屬材料領(lǐng)域，涉及一種重氣體保護(hù)直接發(fā)泡法制備多孔陶瓷的方法及裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]二十世紀(jì)九十年代初，美國橡樹嶺國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了陶瓷坯體的凝膠注模成型技術(shù)，該技術(shù)將傳統(tǒng)的有機(jī)坯體注漿成型技術(shù)與高分子化學(xué)理論相結(jié)合，將可形成凝膠體的有機(jī)單體和交聯(lián)劑與有機(jī)溶劑或水配置成預(yù)混液，與陶瓷粉體混合后配制成陶瓷料漿，澆注入無滲透的模具中并在一定條件下使之原位聚合，形成交叉鍵結(jié)構(gòu)的凝膠體而使陶瓷坯體定型，適用于各種復(fù)雜形狀的陶瓷坯體的精密成型。但是作為一種自由基聚合反應(yīng)，由于單體聚合時(shí)與空氣接觸，空氣中的氧會阻礙聚合反應(yīng)，因此陶瓷料漿在空氣泡中難以聚合。為了克服表面氧阻礙聚合反應(yīng)的問題，有專利采用氮?dú)獗Ｗo(hù)自由基聚合發(fā)泡法制備多孔陶瓷，該方法要求凝膠過程加熱固化(60?150°C )，凝膠過程時(shí)間長，造成生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)周期長，設(shè)備要求高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提出一種設(shè)備要求低，凝膠過程溫度低，凝膠過程時(shí)間短的重氣體保護(hù)直接發(fā)泡法制備多孔陶瓷的方法和裝置。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案是:根據(jù)所需制備的多孔陶瓷的成分配比，準(zhǔn)確稱量陶瓷粉體，稱取去尚子水，去尚子水的重量占陶瓷粉體重量的8?30% ;稱取分散劑,分散劑的加入量為陶瓷粉體重量的0.5%?2% ;稱取調(diào)節(jié)劑，調(diào)節(jié)劑的加入量為陶瓷粉體重量的0.5%?2% ;稱取有機(jī)單體和交聯(lián)劑，有機(jī)單體的加入量為陶瓷粉體重量的0.5?4%，有機(jī)單體和交聯(lián)劑的比例介于10:1?30:1之間，將上述組份混合后形成陶瓷料漿，將該陶瓷料漿放入球磨罐中進(jìn)行球磨，球磨Ih?30h，球料比介于1:1?5:1范圍內(nèi)；出料后，水基陶瓷料漿在真空攪拌條件下除氣泡至無氣泡逸出為止；然后在料漿中加入表面活性劑，其加入量為料漿重量的0.1?10% ;將所述料漿放入重氣體保護(hù)發(fā)泡裝置的腔體中，重氣體通過通氣管通入環(huán)境容器中，氣體流量〉500ml/min，持續(xù)時(shí)間>lmin ;之后，調(diào)節(jié)重氣體保護(hù)發(fā)泡裝置的流量計(jì)，控制氣體流量>100ml/min〈500ml/min,調(diào)節(jié)重氣體保護(hù)發(fā)泡裝置的攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整為500?3000r/min，發(fā)泡時(shí)間控制在20?120分鐘；將四甲基已二銨水溶液及過硫酸銨水溶液從重氣體保護(hù)發(fā)泡裝置的入料口滴入泡沫陶瓷料漿中，攪拌I?1min后，將所述泡沫陶瓷料漿澆注于非滲水非阻凝材料制成的模具中；泡沫陶瓷料漿在環(huán)境溫度<40°C、5?60分鐘內(nèi)完成凝膠固化；將凝膠固化完成的泡沫陶瓷坯體脫模后放置于上下通透的篩網(wǎng)上，放置5?30天進(jìn)行干燥；將干燥完全的泡沫陶瓷坯體裝爐燒結(jié)，采用分階段緩慢連續(xù)升溫的燒結(jié)制度，對陶瓷坯體進(jìn)行燒結(jié)；所述的重氣體保護(hù)發(fā)泡裝置包括攪拌機(jī)、攪拌桿、料漿容器、CO2氣瓶或Ar氣瓶、減壓閥、通氣管、橡膠密封圈、環(huán)境容器和環(huán)境容器上蓋，料漿容器置于環(huán)境容器內(nèi)，環(huán)境容器上蓋通過橡膠密封圈封嚴(yán)，環(huán)境容器上蓋留有出氣縫隙和入料孔，攪拌機(jī)的攪拌桿通過出氣縫隙置入料漿容器內(nèi)，CO2氣瓶或Ar氣瓶的出氣口與環(huán)境容器連通，入料孔置于環(huán)境容器上蓋上。
[0005]所述陶瓷粉體為下列物質(zhì)之一:氧化鋁、氧化鋯、氮化硅、碳化硅、莫萊石；分散劑為下列物質(zhì)之一:聚丙烯酸鹽、聚甲基丙烯酸鹽；調(diào)節(jié)劑為下列物質(zhì)之一:氨水、四甲基氫氧化銨；有機(jī)單體是丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺，交聯(lián)劑是N，N亞甲基雙丙烯酰胺或多乙二醇二甲基丙烯酸；表面活性劑為烷基苯磺酸鹽類陰離子型、植物蛋白類或動物蛋白類表面活性劑，及各類表面活性劑的復(fù)合型。
[0006]所述重氣體保護(hù)發(fā)泡裝置的環(huán)境容器上蓋上的出氣縫隙為圓環(huán)形，攪拌機(jī)攪拌桿與出氣縫隙之間的間隙〈0.2mm—1mm。
[0007]所述催化劑采用四甲基已二銨20?100%的水溶液，引發(fā)劑采用過硫酸銨5?40%的水溶液。
[0008]所述非滲水非阻凝材料制成的模具為金屬、玻璃、致密塑料材料。
[0009]本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和有益效果，本發(fā)明采用重氣體向上排空氣法排除料漿環(huán)境中的空氣，巧妙的利用攪拌機(jī)旋轉(zhuǎn)桿與上蓋之間的縫隙作為出氣孔，簡化了工藝操作的裝置，陶瓷料漿在氬氣或二氧化碳?xì)怏w環(huán)境中發(fā)泡凝膠制備多孔陶瓷坯體，為多孔陶瓷材料的研究和應(yīng)用提出新的方法。本發(fā)明提出一種采用重氣體(分子量大于空氣平均分子量)氬氣、二氧化碳等向上排空氣法去除料漿環(huán)境中的空氣制備多孔陶瓷材料的方法，凝膠過程環(huán)境溫度要求<40°C (溫度過高氣泡不穩(wěn)定)，這區(qū)別于之前的氮?dú)獗Ｗo(hù)法制備多孔陶瓷的專利方法(要求溫度60?150°C )。泡沫陶瓷料漿固化過程中，重氣體密度大于空氣的密度，不易從泡沫料漿表面溢出，為此泡沫料漿更加穩(wěn)定，模具凝膠過程不需外加保護(hù)氣體，這區(qū)別于用氮?dú)獗Ｗo(hù)法發(fā)泡制備多孔陶瓷的方法。因此，重氣體直接發(fā)泡法制備多孔陶瓷方法具有凝膠溫度低、凝膠速度快、泡沫穩(wěn)定、裝置簡單、易操作等優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明重氣體保護(hù)發(fā)泡裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]下面對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明集成了以下工藝技術(shù):重氣體向上排空氣收集技術(shù)；含有表面活性劑的水基陶瓷料漿攪拌發(fā)泡技術(shù)；泡沫陶瓷料漿在惰性氣體環(huán)境下的自由基聚合技術(shù)。
[0012]原理如下:密度大于空氣的氣體(如氬氣、CO2),采用向上排空氣法收集，密度小于空氣的氣體(如氫氣)采用向下排空氣法收集，而與空氣密度接近的氧氣、氮?dú)庵荒懿捎门潘ㄊ占?。本發(fā)明采用重氣體向上排空氣去除環(huán)境的氣體，裝置簡單、易操作；在凝膠過程中，泡沫陶瓷料漿表面層氣泡不易上浮，更穩(wěn)定，模具放置于空氣環(huán)境中不需惰性氣體保護(hù)；水基泡沫陶瓷料漿在溫度低于40°c的室溫環(huán)境下短時(shí)間內(nèi)發(fā)生自由基聚合反應(yīng)凝膠固化，實(shí)現(xiàn)多孔陶瓷坯體的制備。操作步奏如下:
[0013]1.配料:根據(jù)所需的成分配比，準(zhǔn)確稱量各種陶瓷粉體，它可以為下列物質(zhì)之一:氧化鋁、氧化鋯、氮化硅、碳化硅、莫萊石等；稱取去離子水，去離子水重量占陶瓷粉體重量的8?30%;稱取分散劑，它是下列物質(zhì)之一:聚丙烯酸鹽、聚甲基丙烯酸鹽，分散劑加入量為陶瓷粉體重量的0.5%?2% ;稱取調(diào)節(jié)劑，它是下列物質(zhì)之一:氨水、四甲基氫氧化銨等堿性試劑，調(diào)節(jié)劑加入量為陶瓷粉體重量的0.5%?2%;稱取有機(jī)單體和交聯(lián)劑，有機(jī)單體加入量為陶瓷粉體重量的0.5?4%，有機(jī)單體和交聯(lián)劑的比例介于10:1?30:1之間，有機(jī)單體是丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺，交聯(lián)劑是N，N亞甲基雙丙烯酰胺或多乙二醇二甲基丙烯酸；
[0014]2.球磨:將陶瓷料漿放入球磨罐中進(jìn)行球磨，球磨時(shí)間為Ih?30h，球料比為1:1 ?5:1 ;
[0015]3.真空除泡:出料后將水基陶瓷料漿放入真空環(huán)境攪拌除氣泡至無氣泡逸出；
[0016]4.加入表面活性劑:料漿中加入表面活性劑，其加入量為料漿重量的0.1?10%;表面活性劑特征為烷基苯磺酸鹽類陰離子型表面活性劑，植物蛋白類或動物蛋白類表面活性劑，以及各類表面活性劑的復(fù)合型，可根據(jù)所需發(fā)泡率和對泡沫穩(wěn)定性的要求選用；
[0017]5.除空氣:將上述料漿放入重氣體保護(hù)發(fā)泡裝置中，之后通入重氣體，重氣體流量〉500ml/min，持續(xù)時(shí)間>lmin ;發(fā)泡專用裝置特征如圖1所示，該裝置由12部分組成:攪拌機(jī)1、攪拌桿2、料漿容器3、C02氣瓶或Ar氣瓶4、減壓閥5、通氣管6、橡膠密封圈7、環(huán)境容器8、環(huán)境容器上蓋9、出氣縫隙10、氣體流量計(jì)11和入料孔12，料漿容器3置于環(huán)境容器8內(nèi)，環(huán)境容器上蓋9通過橡膠密封圈7封嚴(yán)，環(huán)境容器上蓋9留有出氣縫隙10和入料孔12，攪拌機(jī)I的攪拌桿2通過出氣縫隙10置入料漿容器3，CO2氣瓶或Ar氣瓶4的出氣口與環(huán)境容器8連通,入料孔12置于環(huán)境容器上蓋9上。氣瓶4為IS氣或二氧化碳?xì)怏w，出氣縫隙10與攪拌桿之間形成寬度為0.2?Imm間隙。
[0018]6.攪拌發(fā)泡:調(diào)節(jié)氣體流量>100ml/min〈500ml/min，攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整為500?3000r/min,攪拌時(shí)間控制在20?120分鐘內(nèi)；
[0019]7.滴加催化劑、引發(fā)劑:將濃度為20?100%四甲基已二銨水溶液，濃度為5?40%過硫酸銨水溶液從入料口滴入泡沫陶瓷料漿中，四甲基已二銨水溶液和過硫酸銨水溶液的加入量均為單體重量量的0.5?20%。
[0020]8.注入模具:將上述泡沫陶瓷料漿澆注于非滲水非阻凝材料制成的模具中，環(huán)境溫度<40°C，泡沫陶瓷料漿在5?60分鐘內(nèi)完成凝膠；模具材料可以為金屬、玻璃、致密塑料等非吸水非阻凝材料。
[0021]9.脫模、干燥將凝膠固化完全的泡沫陶瓷坯體脫模后放置于上下通透的篩網(wǎng)上，放置5?30天；
[0022]10.燒結(jié):將干燥完成的陶瓷坯體入爐燒結(jié)，采用分階段緩慢連續(xù)升溫的燒結(jié)制度對陶瓷坯體進(jìn)行燒結(jié)。氧化物陶瓷采用空氣爐燒結(jié)；氮化硅陶瓷采用氮?dú)獗Ｗo(hù)燒結(jié)，燒結(jié)溫度介于1600°C?1800°C之間；碳化娃陶瓷米用IS氣保護(hù)燒結(jié)，燒結(jié)溫度介于1500°C?2200°C之間。
[0023]實(shí)施例1
[0024]稱取500g平均粒徑為0.5 μ m的氧化鋁陶瓷粉體，加入80ml去離子水，1ml的丙烯酸銨分散劑，1ml氨水(10 % )，Ig堿式碳酸鎂粉體，12g丙烯酰胺有機(jī)單體，0.Sg亞甲基雙丙烯酰胺；將上述混合物放入滾筒磨球磨15小時(shí)；出料后，量取150ml料漿倒入燒杯中，料漿在真空環(huán)境攪拌除泡至無氣泡溢出；加入表面活性劑0.5g，放入發(fā)泡專用設(shè)備，并保持Ar氣流量500ml/min ;2min后,調(diào)整攪拌機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速1000r/min,料衆(zhòng)發(fā)泡至500ml ;滴入過硫酸銨水溶液(10% ) 1.5g,四甲級乙二銨(50% )水溶液1.5g ;將上述泡沫陶瓷料漿注入玻璃模具；1小時(shí)后，將多孔陶瓷坯體脫模并放置于上下通透的篩網(wǎng)上自由干燥10天；干燥完全的坯體經(jīng)空氣爐1600°C煅燒2h燒結(jié)，得到氣孔率為65%的氧化鋁泡沫陶瓷。
[0025]實(shí)施例2
[0026]稱取500g平均粒徑為0.5 μ m的氮化硅陶瓷粉體，7g氧化鋁陶瓷粉，7g氧化釔粉，量取150ml去離子水，15ml的丙烯酸銨分散劑，15ml氨水(10% )，20g丙烯酰胺有機(jī)單體，Ig亞甲基雙丙烯酰胺；將上述混合物放入球磨罐中，球磨15小時(shí)；量取10ml陶瓷懸浮料漿；料漿經(jīng)真空攪拌除氣至無氣泡溢出，加入表面活性劑0.5g ;將料漿放入發(fā)泡專用設(shè)備，以500ml/min通入Ar氣2min,調(diào)整攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速1000r/min，料衆(zhòng)發(fā)泡至500ml,滴入過硫酸銨水溶液(10% )2ml，四甲級乙二銨(50% )水溶液3ml ;將上述料漿注入玻璃模具中；lh后，將坯體從模具中取出，放置于上下通透的篩網(wǎng)上干燥10天；干燥完全的多孔氮化硅坯體經(jīng)1750°C氮?dú)獗Ｗo(hù)2h無壓燒結(jié)，得到氣孔率為71%的氮化硅陶瓷。
【權(quán)利要求】
1.一種重氣體保護(hù)直接發(fā)泡法制備多孔陶瓷的方法，其特征是，根據(jù)所需制備的多孔陶瓷的成分配比，準(zhǔn)確稱量陶瓷粉體，稱取去離子水，去離子水的重量占陶瓷粉體重量的8?30% ;稱取分散劑，分散劑的加入量為陶瓷粉體重量的0.5%?2% ;稱取調(diào)節(jié)劑，調(diào)節(jié)劑的加入量為陶瓷粉體重量的0.5%?2% ;稱取有機(jī)單體和交聯(lián)劑，有機(jī)單體的加入量為陶瓷粉體重量的0.5?4%，有機(jī)單體和交聯(lián)劑的比例介于10:1?30:1之間，將上述組份混合后形成陶瓷料漿，將該陶瓷料漿放入球磨罐中進(jìn)行球磨，球磨時(shí)間為Ih?30h，球料比介于1:1?5:1之間；出料后，水基陶瓷料漿在真空攪拌條件下除氣泡至無氣泡逸出為止；然后在料漿中加入表面活性劑，表面活性劑的加入量為料漿重量的0.1?10% ;將所述料漿放入重氣體保護(hù)發(fā)泡裝置的腔體中，重氣體通過通氣管通入環(huán)境容器中，氣體流量〉500ml/min,持續(xù)時(shí)間>lmin ;之后,調(diào)節(jié)重氣體保護(hù)發(fā)泡裝置的流量計(jì),控制氣體流量>100ml/min〈500ml/min，調(diào)節(jié)重氣體保護(hù)發(fā)泡裝置的攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速為500?3000r/min,攪拌時(shí)間控制在20?120min范圍內(nèi)；將四甲基已二銨水溶液及過硫酸銨水溶液從重氣體保護(hù)發(fā)泡裝置的入料口滴入泡沫陶瓷料漿中，攪拌I?1min后，將所述泡沫陶瓷料漿澆注于非滲水非阻凝材料制成的模具中；泡沫陶瓷料漿在環(huán)境溫度<40°C、5?60分鐘內(nèi)完成凝膠固化；將凝膠固化完成的泡沫陶瓷坯體脫模后放置于上下通透的篩網(wǎng)上，放置5?30天進(jìn)行干燥；將干燥完成的泡沫陶瓷坯體裝爐燒結(jié)，采用分階段緩慢連續(xù)升溫的燒結(jié)制度，對陶瓷坯體進(jìn)行燒結(jié)；所述的重氣體保護(hù)發(fā)泡裝置包括攪拌機(jī)、攪拌桿、料漿容器、CO2氣瓶或Ar氣瓶、減壓閥、通氣管、橡膠密封圈、環(huán)境容器和環(huán)境容器上蓋，料漿容器置于環(huán)境容器內(nèi)，攪拌機(jī)的攪拌桿通過出氣縫隙置入料漿容器內(nèi)，環(huán)境容器上蓋通過橡膠密封圈封嚴(yán)，環(huán)境容器上蓋留有出氣縫隙和入料孔，CO2氣瓶或Ar氣瓶的出氣口與環(huán)境容器連通，入料孔置于環(huán)境容器上蓋上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種重氣體保護(hù)直接發(fā)泡法制備多孔陶瓷的方法，其特征是，所述陶瓷粉體為下列物質(zhì)之一:氧化鋁、氧化鋯、氮化硅、碳化硅、莫萊石；分散劑為下列物質(zhì)之一:聚丙烯酸鹽、聚甲基丙烯酸鹽；調(diào)節(jié)劑為下列物質(zhì)之一:氨水、四甲基氫氧化銨；有機(jī)單體是丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺，交聯(lián)劑是N，N亞甲基雙丙烯酰胺或多乙二醇二甲基丙烯酸；表面活性劑為烷基苯磺酸鹽類陰離子型、植物蛋白類或動物蛋白類表面活性齊U，及各類表面活性劑的復(fù)合型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種重氣體保護(hù)直接發(fā)泡法制備多孔陶瓷的方法，其特征是，所述重氣體保護(hù)發(fā)泡裝置的環(huán)境容器上蓋上的出氣縫隙為圓環(huán)形，攪拌機(jī)攪拌桿與出氣縫隙的間隙〈0.2mm?1mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種重氣體保護(hù)直接發(fā)泡法制備多孔陶瓷的方法，其特征是，所述催化劑采用20?100%的四甲基已二銨水溶液，引發(fā)劑采用5?40%的過硫酸銨水溶液。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種重氣體保護(hù)直接發(fā)泡法制備多孔陶瓷的方法，其特征是，所述非滲水非阻凝材料制成的模具為金屬、玻璃、致密塑料材料。
【文檔編號】C04B35/10GK104402522SQ201410602514
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月31日
【發(fā)明者】李寶偉, 焦建, 焦春榮, 王嶺, 梁艷媛, 張冰玉 申請人:中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司