CN108046745A - 一种石墨烯增强的镁质日用瓷的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种石墨烯增强的镁质日用瓷的制备方法，所述镁质日用瓷中石墨：碳纳米管：镁质瓷坯料质量比为0.3～0.5:0.1～0.5:99～99.7，是以石墨烯及碳纳米管作为强韧相，镁质日用瓷作为基体，采用超声结合球磨的制备工艺，高温烧结制得。本发明设备简单，成本低，制备工艺稳定，石墨烯增强日用瓷中强韧相分散均匀，力学性能优异，抗折强度和断裂韧性分别达到187～205Mpa和1.90～2.2Mpa·m1/2，比普通镁质日用瓷分别提高50～75%和62～120%，具有良好的应用前景。

Description

一种石墨烯增强的镁质日用瓷的制备方法
技术领域
本发明属于日用陶瓷材料技术领域，具体涉及一种石墨烯增强的镁质日用瓷的制备方法。
背景技术
镁质瓷具有机械强度高、瓷质细腻洁白、透光性好等优点，镁质日用瓷餐具、茶具与传统瓷相比别有一番风味，在国内外市场上倍受青睐。然而，镁质瓷易碎、易脆和断裂韧性差等缺点，制约了镁质瓷的运输和使用。
石墨烯和碳纳米管是优良的一维和二维碳材料，它们分别体现出了一维的和二维的各向异性，当石墨烯与碳纳米管复合其他材料形成三维网状结构，通过它们之间的协同效应，使其表现出比任意一种单一材料更加优异的性能，例如更好的热学和力学性质。这使得石墨烯/碳纳米管复合材料在应用到陶瓷领域具有极高的潜力。
中国专利CN105693262A公开了一种石墨烯/碳纳米管界面的纤维增强陶瓷基复合材料，通过电还原沉积氧化石墨烯和电泳沉积碳纳米管方法，将其二者引入纤维与基体间界面，得到石墨烯/碳纳米管界面的纤维增强陶瓷基复合材料，引入的碳纳米管和石墨烯分散性好，提高了复合材料的力学性能。中国专利CN103145411介绍了一种石墨烯和碳纳米管协同强韧的双相磷酸钙复合材料，以石墨烯、碳纳米管作为协同增韧相，双相磷酸钙作为基底，球磨混合然后热压烧结制得复合材料，材料力学性能优异。但此方法过程中直接加入市售的碳纳米管和石墨烯，成本高，不易大规模生产。
为了更好地应用石墨烯和碳纳米管的材料特性，其制备及复合方法，也成为研究学者的研究热点。Fan等将 α－Al2O3微粉与膨胀石墨在球磨介质下进行高速球磨，膨胀石墨在α－Al2O3 微粉的高速剪切作用下能形成厚度为2.5 ～20nm 且分散均匀的石墨烯纳米片。陈国华等利用行星球磨在二甲基甲酰胺(DMF)的辅助下研磨膨胀石墨，得到了单层石墨烯和几层石墨烯组成的纳米片。ChenG.H.等首先对天然鳞片石墨进行酸插层制备石墨层间化合物，然后高温处理层间化合物得到膨胀石墨，最后利用超声波粉碎膨胀石墨获得了石墨烯微片。
中国专利CN106629672A公布一种碳纳米管-石墨烯复合材料的制备方法，利用两次化学气相沉积过程，通过改变石墨烯和碳纳米管的生长条件，控制石墨烯和碳纳米管的结构特征，从而批量制备碳纳米管-石墨烯复合物。但此种制备方法工艺复杂，在制备过程中需要加入催化剂，成本较高。
中国专利CN105732036A介绍了一种三维石墨烯/碳纳米管复合材料，将氧化石墨烯和碳纳米管的悬浮液搅拌混合，加入还原剂后进行水热反应，得到凝胶/干胶，后高温烧结得到石墨烯/碳纳米管复合材料。
目前，在镁质瓷领域，利用石墨烯与碳纳米管复合材料协同增强陶瓷性能的方法还未见报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种生产成本低廉、工艺简单、高强高韧的石墨烯增强的镁质日用瓷的制备方法。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案是：一种石墨烯增强的镁质日用瓷的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：称取一定量鳞片石墨置于辊道窑中快速升温到1100℃以上，淬火，重复升温和淬火工序数次后备用；
步骤二：将第一步加工后的石墨、碳纳米管、镁质瓷坯料按重量比0.3～0.5:0.1～0.5:99～99.7，分别称取石墨、碳纳米管、镁质瓷坯料；
步骤三：将称量好的石墨、镁质瓷坯料中的瘠性原料、助磨剂，装入球磨机中进行球磨，球磨时间6～12h，其中助磨剂的重量为镁质瓷坯料重量的0.1%；
步骤四：将称量好的碳纳米管加入含有分散剂的蒸馏水中，置超声波清洗器中进行超声分散0.5～1.5h，其中分散剂的重量为碳纳米管重量的5%；
步骤五：将步骤四分散后的碳纳米管的水溶液与步骤二中称量好的镁质瓷坯料中的其他坯料，以及步骤三中球磨好的原料，共同装入球磨机中进行球磨，球磨时间0.5～3h；
步骤六：将步骤步五中得到的球磨后浆料放入模具中注浆成型、干燥、浸釉，得到坯体；
步骤七：将步骤六制得的坯体在1200～1300℃以上烧结40～60min，冷却至常温，即得到镁质日用瓷成品。
所述镁质瓷坯料配方的重量百分比组成为：镁质黏土14%、烧镁质黏土36%、滑石40%、高岭土8%，长石2%。
所述镁质瓷坯料配方的重量百分比组成为：烧滑石 49% ，钾长石 16% ，高岭土32% ，氧化铝 1% ，碳酸钡 2%。
所述镁质瓷坯料配方的重量百分比组成为：滑石76% ，高岭土 14% ，钾长石 8% ，膨润土 2%。
上述步骤一中重复升温和淬火工序的次数为2～8。
上述步骤三中的助磨剂是水玻璃、偏硅酸钠盐、磷酸钠盐、三聚氰胺中的一种。
上述步骤四的分散剂是三聚磷酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵中的一种。
上述步骤六中干燥工序后坯体含水量低于3%。
上述步骤七制得镁质日用瓷成品的抗折强度为187～205Mpa、断裂韧性为1.90～2.2Mpa·m1/2。
本发明结合陶瓷工业实际生产情况，利用球磨机高速球磨石墨。一方面，通过研究表明长时间的高速球磨石墨能够得到多层石墨烯和少量碳纳米管。石墨的来源很广，相比直接引入市售的石墨烯和碳纳米管，可以极大的减少成本。另一方面，相比与化学方法合成的石墨烯和碳纳米管，在陶瓷浆料中引入了过多的金属离子，这使得陶瓷浆料操作性降低，例如流动性差、不易成型等，而物理混合法不存在这样的问题。此外，球磨使得添加物在坯料中分布均匀，烧结得到的产品力学性能优异，抗折强度和断裂韧性分别达到187～205Mpa和1.90～2.2Mpa·m1/2，比镁质日用瓷分别提高50～75%和62～120%，具有良好的应用前景。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的一种石墨烯增强的镁质日用瓷的制备方法的具体实施方式、方法、步骤、特征及其功效，详细说明如下：
实施列1：
本发明实例提供了一种石墨烯增强的镁质日用瓷的制备方法，包含以下步骤：
(1)按石墨：碳纳米管：镁质瓷坯料质量比为0.5:0.2:99.3的比例，分别称取石墨、碳纳米管、镁质瓷坯料。
所述石墨，是石墨在高温辊道窑中快速升温到1100℃以上，淬火，重复3次得到的。
(2)将称量好的石墨，以水玻璃为助磨剂装入球磨机中进行球磨，球磨时间6h，其中水玻璃重量占镁质瓷坯料重量的0.1%。
(3)所述的镁质瓷坯料配方：镁质黏土14%、烧镁质黏土36%、滑石40%、高岭土8%，长石2%，将长石放入步骤（2）中进行球磨。
(4)将碳纳米管加入含有三聚磷酸钠的蒸馏水中，超声分散1h，其中三聚磷酸钠质量为碳纳米管质量的5%。
(5)将分散后的溶液和称量好的镁质瓷其他坯料再共同加入球磨机中进行球磨，球磨时间为2h，然后将球磨后的浆料放入模具中注浆成型，得到陶瓷生坯；
(6)将得到的生坯进行干燥，使其含水量为3%，然后对干燥后的生坯置于釉料中进行浸釉，得到浸釉后的坯体；
(7)将制得的坯体烧结后，烧结温度为1280℃，保温时间为40min即得到成品。
经检测镁质日用瓷成品的抗折强度和断裂韧性分别为193Mpa和1.97Mpa·m1/2。
实施列2：
本发明实例提供了一种石墨烯增强的镁质日用瓷的制备方法，包含以下步骤：
(1)按石墨：碳纳米管：镁质瓷坯料质量比为0.5:0.4:99.1的比例，分别称取石墨、碳纳米管、镁质瓷坯料。
所述石墨，是石墨在高温辊道窑中快速升温到1100℃以上，淬火，重复5次得到的。
(2)将称量好的石墨，以三聚氰胺为助磨剂装入球磨机中进行球磨，球磨时间8h，其中三聚氰胺重量占镁质瓷坯料重量的0.1%。
(3)所述的镁质瓷坯料配方：烧滑石 49% ，钾长石 16% ，高岭土 32% ，氧化铝 1%，碳酸钡 2%，将钾长石、氧化铝放入步骤(2)中进行球磨。
(4)将碳纳米管加入含有十二烷基苯磺酸钠的蒸馏水中，超声分散0.8h，其中十二烷基苯磺酸钠质量为碳纳米管质量的5%。
(5)将分散后的溶液和称量好的镁质瓷其他坯料再共同加入球磨机中进行球磨，球磨时间为1h，然后将球磨后的浆料放入模具中注浆成型，得到陶瓷生坯；
(6)将得到的生坯进行干燥，使其含水量为2%，然后对干燥后的生坯置于釉料中进行浸釉，得到浸釉后的坯体；
(7)将制得的坯体烧结后，烧结温度为1250℃，保温时间为50min即得到成品。
经检测镁质日用瓷成品的抗折强度和断裂韧性分别为203Mpa和2.2Mpa·m1/2。
实施列3：
本发明实例提供了一种石墨烯增强的镁质日用瓷的制备方法，包含以下步骤：
(1)按石墨：碳纳米管：镁质瓷质量比为0.3:0.1:99.6的比例，分别称取石墨、碳纳米管、镁质瓷坯料。
所述石墨，是石墨在高温辊道窑中快速升温到1100℃以上，淬火，重复7次得到的。
(2)将称量好的石墨，以偏硅酸钠盐为助磨剂装入球磨机中进行球磨，球磨时间11h，其中偏硅酸钠盐重量占镁质瓷坯料重量的0.1%。
(3)所述的镁质瓷坯料配方：滑石76%、高岭土14%、钾长石8%、膨润土2%，将钾长石放入步骤（2）中进行球磨。
(4)将碳纳米管加入含有十六烷基三甲基溴化铵的蒸馏水中，超声分散1.3h，其中十六烷基三甲基溴化铵质量为碳纳米管质量的5%。
(5)将分散后的溶液和称量好的镁质瓷其他坯料再共同加入球磨机中进行球磨，球磨时间为3h，然后将球磨后的浆料放入模具中注浆成型，得到陶瓷生坯；
(6)将得到的生坯进行干燥，使其含水量为1%，然后对干燥后的生坯置于釉料中进行浸釉，得到浸釉后的坯体；
(7)将制得的坯体烧结后，烧结温度为1200℃，保温时间为40min即得到成品。
经检测镁质日用瓷成品的抗折强度和断裂韧性分别为187Mpa和1.90Mpa·m1/2。

Claims (9)

1.一种石墨烯增强的镁质日用瓷的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：称取一定量鳞片石墨置于辊道窑中快速升温到1100℃以上，淬火，重复升温和淬火工序数次后备用；
步骤二：将第一步加工后的石墨、碳纳米管、镁质瓷坯料按重量比0.3～0.5:0.1～0.5:99～99.7，分别称取石墨、碳纳米管、镁质瓷坯料；
步骤三：将称量好的石墨、镁质瓷坯料中的瘠性原料、助磨剂，装入球磨机中进行球磨，球磨时间6～12h，其中助磨剂的重量为镁质瓷坯料重量的0.1%；
步骤四：将称量好的碳纳米管加入含有分散剂的蒸馏水中，置超声波清洗器中进行超声分散0.5～1.5h，其中分散剂的重量为碳纳米管重量的5%；
步骤五：将步骤四分散后的碳纳米管的水溶液与步骤二中称量好的镁质瓷坯料中的其他坯料，以及步骤三中球磨好的原料，共同装入球磨机中进行球磨，球磨时间0.5～3h；
步骤六：将步骤步五中得到的球磨后浆料放入模具中注浆成型、干燥、浸釉，得到坯体；
步骤七：将步骤六制得的坯体在1200～1300℃以上烧结40～60min，冷却至常温，即得到镁质日用瓷成品。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述镁质瓷坯料配方的重量百分比组成为：镁质黏土14%、烧镁质黏土36%、滑石40%、高岭土8%，长石2%。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述镁质瓷坯料配方的重量百分比组成为：烧滑石 49% ，钾长石 16% ，高岭土 32% ，氧化铝 1% ，碳酸钡 2%。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述镁质瓷坯料配方的重量百分比组成为：滑石76% ，高岭土 14% ，钾长石 8% ，膨润土 2%。
5.根据权利要求1-4任一所述的制备方法，其特征在于：所述步骤一中重复升温和淬火工序的次数为2～8。
6.根据权利要求1-4任一所述的制备方法，其特征在于：所述步骤三中的助磨剂是水玻璃、偏硅酸钠盐、磷酸钠盐、三聚氰胺中的一种。
7.根据权利要求1-4任一所述的制备方法，其特征在于：所述步骤四的分散剂是三聚磷酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵中的一种。
8.根据权利要求1-4任一所述的制备方法，其特征在于：所述步骤六中干燥工序后坯体含水量低于3%。
9.根据权利要求1-4任一所述的制备方法，其特征在于：所述步骤七制得镁质日用瓷成品的抗折强度为187～205Mpa、断裂韧性为1.90～2.2Mpa·m1/2。
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