CN112679225A - 一种多孔陶瓷材料造孔剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多孔陶瓷材料造孔剂及其制备方法，其原料为稻谷壳，其中含有碳27‑28.5wt％、二氧化硅65.9‑67.5wt％、氯化钙2.1‑2.3wt％、三氯化二铁0.1‑0.15wt％和氯化钾3.2‑3.4wt％。本发明通过对天然物质稻谷壳进行高温处理，形成碳化物，经破碎和过筛后，对所形成的碳化物进行造粒，形成造孔剂颗粒。本发明相比于有机造孔添加剂和无机造孔添加剂具有形状可控，烧结后无不良残留等特点。
Description
技术领域
本发明属于有机材料技术领域，具体涉及一种多孔陶瓷材料造孔剂及其制备方法。
背景技术
多孔陶瓷具有气孔率高、强度好、物理和化学性质稳定、过滤精度高和再生性能好等优点。开口的多孔陶瓷具有良好的吸附、过滤、消除回声等作用，闭口的多孔陶瓷对热量、声音及固体和液体微粒的传递有着良好的阻隔作用。多孔陶瓷已经被广泛应用于载体、过滤和分离、吸音、隔热、生物工程和新能源材料等方面，多孔陶瓷材料中气孔的形状、大小、分布及孔隙率严重影响着多孔材料的性能。
现有技术中，多孔陶瓷的造孔方式多种多样，包括发泡工艺、添加造孔剂工艺、有机泡沫浸渍工艺、凝胶工艺及冷冻干燥等。其中添加成孔剂是多孔陶瓷制备多孔的最常用的方式之一。使用这种方式可以很好的控制气孔的形状、大小及气孔率。
目前多孔陶瓷的造孔剂主要包括有机添加剂和无机添加剂，有机造孔添加剂有这烧结后没有残留物等优点，但其有个明显的问题是在烧结过程中其气化的温度低，在烧结过程中难以保持气孔的形状，无机造孔剂恰好相反，能保持气孔的形状，但是无机造孔剂的残留物都难以去除，会对陶瓷主体带来较大的影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种多孔陶瓷材料造孔剂。
本发明的另一目的在于提供上述多孔陶瓷材料造孔剂的制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种多孔陶瓷材料造孔剂，其特征在于：其原料为稻谷壳，其中含有碳27-28.5wt％、二氧化硅65.9-67.5wt％、氯化钙2.1-2.3wt％、三氯化二铁0.1-0.15wt％和氯化钾3.2-3.4wt％。
在本发明的一个优选实施方案中，其中含有碳27-28.5wt％、二氧化硅65.9-67.4wt％、氯化钙2.18-2.2wt％、三氯化二铁0.1-0.12wt％和氯化钾3.3wt％。
在本发明的一个优选实施方案中，其粒径为20-100μm。
进一步优选的，其粒径为40-50μm。
上述多孔陶瓷材料造孔剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)将稻谷壳在空气气氛下，于590-610℃热处理1-4h，随炉冷却至室温，获得第一产物；
(2)将第一产物破碎后过5000目筛，获得第二产物；
(3)将第二产物进行喷雾干燥制粒，先过300目筛，将透过的物料再过325目，所得未透过的物料即为所述多孔陶瓷材料造孔剂。
在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(1)为：将稻谷壳在空气气氛下，于600℃热处理1-4h，随炉冷却至室温，获得第一产物。
在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(2)中的破碎的方式为使用行星式球磨机进行破碎，行星式球磨机工艺参数为：配球为6mm陶瓷球，转速比：自转∶公转为2∶1，其公转转速为200rpm，球磨时间为12h。
在本发明的一个优选实施方案中，所述喷雾干燥制粒的具体工艺为：进风温度195-205℃，进料转速为45-55rpm，采用离心雾化方式，275-285m3/h气流，1.8-2.2Mpa压强。
进一步优选的，所述喷雾干燥制粒的具体工艺为：进风温度200℃，进料转速为50rpm，采用离心雾化方式，280m3/h气流，2Mpa压强。
进一步优选的，所述步骤(1)为：将稻谷壳放入真空气氛炉中，600℃热处理4h，随炉冷却至室温，获得第一产物；所述步骤(2)中破碎的方式为使用行星式球磨机进行破碎，行星式球磨机工艺参数为：配球为6mm陶瓷球，转速比：自转∶公转为2∶1，其公转转速为200rpm，球磨时间为12h；所述喷雾干燥制粒的具体工艺为：进风温度200℃，进料转速为50rpm，采用离心雾化方式，280m3/h气流，2Mpa压强。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过对天然物质稻谷壳进行高温处理，形成碳化物，经破碎和过筛后，对所形成的碳化物进行造粒，形成造孔剂颗粒。
2、本发明相比与有机造孔添加剂和无机造孔添加剂具有形状可控，烧结后无不良残留等特点。
3、本发明的制备工艺简单，成本极低。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的多孔陶瓷材料造孔剂制作的多孔陶瓷材料的扫描电镜照片。
图2为本发明实施例2制得的多孔陶瓷材料造孔剂制作的多孔陶瓷材料的扫描电镜照片。
图3为本发明对比例2制得的多孔陶瓷材料造孔剂制作的多孔陶瓷材料的扫描电镜照片。
图4为本发明对比例4制得的多孔陶瓷材料造孔剂制作的多孔陶瓷材料的扫描电镜照片。
图5为本发明对比例5中以淀粉作为造孔剂的多孔陶瓷材料的扫描电镜照片。
图6为本发明对比例5中以氧化铝陶瓷空心球作为造孔剂的多孔陶瓷材料的扫描电镜照片。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。
实施例1
(1)将稻谷壳在空气气氛下，于600℃热处理4h，随炉冷却至室温，获得第一产物；
(2)将第一产物放入行星式球磨机中进行破碎处理，然后过5000目筛，获得第二产物；
(3)将第二产物进行喷雾干燥制粒，先过300目筛，将透过的物料再过325目，所得未透过的物料即为粒径为40-50μm所述多孔陶瓷材料造孔剂，采用x射线光电子能谱检测其组成为：碳27wt％、二氧化硅67.4wt％、氯化钙2.2wt％、三氯化二铁0.1wt％和氯化钾3.3wt％；上述行星式球磨机的参数为：配球为6mm陶瓷球，转速比：自转∶公转为2∶1，其公转转速为200rpm，球磨时间为12h；上述喷雾干燥制粒的工艺参数为：进风温度200℃，进料转速为50rpm，采用离心雾化方式，280m3/h气流，2Mpa压强。
(4)将本实施例制得的多孔陶瓷材料造孔剂与陶瓷结合剂混料，混料时间4h，其中陶瓷结合剂的成分为SiO2：60.32wt％，Al2O3：36.35wt％，CaO：0.31wt％，MgO：0.23wt％，Fe2O3：0.32wt％，TiO2：0.07wt％，K2O：2.40wt％，配料粒度为8000目，多孔陶瓷材料造孔剂占比30wt％，采用3Mpa压制，保压时间1min，经过830℃空气气氛烧结2h，随炉冷却至室温即可得到如图1所示的多孔陶瓷材料，最后制得的多孔陶瓷材料的气孔规则，大小均匀。经测试，该多孔陶瓷材料抗压强度42Mpa，抗折强度35Mpa，硬度32.4HRB，其气孔率为28.9％。
实施例2
(1)将稻谷壳在空气气氛下，于600℃热处理2.5h，随炉冷却至室温，获得第一产物；
(2)将第一产物放入行星式球磨机中进行破碎处理，然后过5000目筛，获得第二产物；
(3)将第二产物进行喷雾干燥制粒，先过300目筛，将透过的物料再过325目，所得未透过的物料即为粒径为40-50μm所述多孔陶瓷材料造孔剂，采用x射线光电子能谱检测其组成为：碳28wt％、二氧化硅66.4wt％、氯化钙2.18wt％、三氯化二铁0.12wt％和氯化钾3.3wt％；；上述行星式球磨机的参数为：配球为6mm陶瓷球，转速比：自转∶公转为2∶1，其公转转速为200rpm，球磨时间为12h；上述喷雾干燥制粒的工艺参数为：进风温度200℃，进料转速为50rpm，采用离心雾化方式，280m3/h气流，2Mpa压强。
(4)将本实施例制得的多孔陶瓷材料造孔剂与陶瓷结合剂混料，混料时间4h，其中陶瓷结合剂的成分为SiO2：60.32wt％，Al2O3：36.35wt％，CaO：0.31wt％，MgO：0.23wt％，Fe2O3：0.32wt％，TiO2：0.07wt％，K2O：2.40wt％，配料粒度为8000目，多孔陶瓷材料造孔剂占比30wt％，采用3Mpa压制，保压时间1min，经过830℃空气气氛烧结2h，随炉冷却至室温即可得到如图2所示的多孔陶瓷材料，最后制得的多孔陶瓷材料的气孔规则，大小均匀。经测试，该多孔陶瓷材料抗压强度41.4Mpa，抗折强度32Mpa，硬度29.2HRB，其气孔率为29.3％。
实施例3
(1)将稻谷壳在空气气氛下，于600℃热处理1h，随炉冷却至室温，获得第一产物；
(2)将第一产物放入行星式球磨机中进行破碎处理，然后过5000目筛，获得第二产物；
(3)将第二产物进行喷雾干燥制粒，先过300目筛，将透过的物料再过325目，所得未透过的物料即为粒径为40-50μm所述多孔陶瓷材料造孔剂，采用x射线光电子能谱检测其组成为：碳28.5wt％、二氧化硅65.9wt％、氯化钙2.18wt％、三氯化二铁0.12wt％和氯化钾3.3wt％；上述行星式球磨机的参数为：配球为6mm陶瓷球，转速比：自转∶公转为2∶1，其公转转速为200rpm，球磨时间为12h；上述喷雾干燥制粒的工艺参数为：进风温度200℃，进料转速为50rpm，采用离心雾化方式，280m3/h气流，2Mpa压强。
(4)将本实施例制得的多孔陶瓷材料造孔剂与陶瓷结合剂混料，混料时间4h，其中陶瓷结合剂的成分为SiO2：60.32wt％，Al2O3：36.35wt％，CaO：0.31wt％，MgO：0.23wt％，Fe2O3：0.32wt％，TiO2：0.07wt％，K2O：2.40wt％，配料粒度为8000目，多孔陶瓷材料造孔剂占比30wt％，采用3Mpa压制，保压时间1min，经过830℃空气气氛烧结2h，随炉冷却至室温即可得到多孔陶瓷材料，最后制得的多孔陶瓷材料的气孔规则，大小均匀。经测试，该多孔陶瓷材料抗压强度44.4Mpa，抗折强度36Mpa，硬度31.1HRB，其气孔率为30.5％。
对比例1
将稻谷壳在空气气氛下，于600℃热处理0.5h，随炉冷却至室温，获得第一产物。检测第一产物发现稻谷壳并没有完全被碳化，还含有稻谷壳纤维，无法进行进一步破碎，造粒。
对比例2
(1)将稻谷壳在空气气氛下，于600℃热处理4.5h，随炉冷却至室温，获得第一产物；
(2)将第一产物放入行星式球磨机中进行破碎处理，然后过5000目筛，获得第二产物；
(3)将第二产物进行喷雾干燥制粒，先过300目筛，将透过的物料再过325目，所得未透过的物料即为粒径为40-50μm所述多孔陶瓷材料造孔剂，其组成为：碳8.6wt％、二氧化硅85.54wt％、氯化钙2.5wt％、三氯化二铁0.16wt％和氯化钾3.2wt％；上述行星式球磨机的参数为：配球为6mm陶瓷球，转速比：自转∶公转为2∶1，其公转转速为200rpm，球磨时间为12h；上述喷雾干燥制粒的工艺参数为：进风温度200℃，进料转速为50rpm，采用离心雾化方式，280m3/h气流，2Mpa压强。
(4)将本对比例制得的多孔陶瓷材料造孔剂与陶瓷结合剂混料，混料时间4h，其中陶瓷结合剂的成分为SiO2：60.32wt％，Al2O3：36.35wt％，CaO：0.31wt％，MgO：0.23wt％，Fe2O3：0.32wt％，TiO2：0.07wt％，K2O：2.40wt％，配料粒度为8000目，多孔陶瓷材料造孔剂占比30wt％，采用3Mpa压制，保压时间1min，经过830℃空气气氛烧结2h，随炉冷却至室温即可得到如图2所示的多孔陶瓷材料。
由图3可知，本对比例制得的多孔陶瓷材料造孔剂中碳含量少于10wt％，而硅含量高于80wt％，因此在造孔部位形成无法去除的残留物，对陶瓷主体参数造成了影响。使制得的多孔陶瓷材料的相比于实施例1，抗压强度提高了10Mpa，抗折强度提高了12Mpa，气孔率降低了15％。
对比例3
将稻谷壳在空气气氛下，于580℃分别热处理4h和5h，随炉冷却至室温，获得第一产物。检测第一产物发现稻谷壳并没有完全被碳化，还含有稻谷壳纤维，无法进行进一步破碎，造粒。
对比例4
(1)将稻谷壳在空气气氛下，于620℃热处理4h，随炉冷却至室温，获得第一产物；
(2)将第一产物放入行星式球磨机中进行破碎处理，然后过5000目筛，获得第二产物；
(3)将第二产物进行喷雾干燥制粒，先过300目筛，将透过的物料再过325目，所得未透过的物料即为粒径为40-50μm所述多孔陶瓷材料造孔剂，其组成为：碳5.4wt％、二氧化硅88.46wt％、氯化钙2.6wt％、三氯化二铁0.15wt％和氯化钾3.3wt％；上述行星式球磨机的参数为：配球为6mm陶瓷球，转速比：自转∶公转为2∶1，其公转转速为200rpm，球磨时间为12h；上述喷雾干燥制粒的工艺参数为：进风温度200℃，进料转速为50rpm，采用离心雾化方式，280m3/h气流，2Mpa压强。
(4)将本对比例制得的多孔陶瓷材料造孔剂与陶瓷结合剂混料，混料时间4h，其中陶瓷结合剂的成分为SiO2：60.32wt％，Al2O3：36.35wt％，CaO：0.31wt％，MgO：0.23wt％，Fe2O3：0.32wt％，TiO2：0.07wt％，K2O：2.40wt％，配料粒度为8000目，多孔陶瓷材料造孔剂占比30wt％，采用3Mpa压制，保压时间1min，经过830℃空气气氛烧结2h，随炉冷却至室温即可得到如图3所示的多孔陶瓷材料。
由图4可知，本对比例制得的多孔陶瓷材料造孔剂中碳含量少于10wt％，而硅含量高于80wt％，因此在造孔部位形成无法去除的残留物，对陶瓷主体参数造成了影响。使制得的多孔陶瓷材料的相比于实施例1，抗压强度提高了12Mpa，抗折强度提高了15Mpa，气孔率降低了20％。
对比例5
(1)将稻谷壳在空气气氛下，于620℃热处理0.5h，随炉冷却至室温，获得第一产物；
(2)将第一产物放入行星式球磨机中进行破碎处理，然后过5000目筛，获得第二产物；
(3)将第二产物进行喷雾干燥制粒，先过300目筛，将透过的物料再过325目，所得未透过的物料即为粒径为40-50μm所述多孔陶瓷材料造孔剂，其组成为：碳6.2wt％、二氧化硅87.56wt％、氯化钙2.7wt％、三氯化二铁0.14wt％和氯化钾3.4wt％；上述行星式球磨机的参数为：配球为6mm陶瓷球，转速比：自转∶公转为2∶1，其公转转速为200rpm，球磨时间为12h；上述喷雾干燥制粒的工艺参数为：进风温度200℃，进料转速为50rpm，采用离心雾化方式，280m3/h气流，2Mpa压强。
(4)将本对比例制得的多孔陶瓷材料造孔剂与陶瓷结合剂混料，混料时间4h，其中陶瓷结合剂的成分为SiO2：60.32wt％，Al2O3：36.35wt％，CaO：0.31wt％，MgO：0.23wt％，Fe2O3：0.32wt％，TiO2：0.07wt％，K2O：2.40wt％，配料粒度为8000目，多孔陶瓷材料造孔剂占比30wt％，采用3Mpa压制，保压时间1min，经过830℃空气气氛烧结2h，随炉冷却至室温即可得到如图3所示的多孔陶瓷材料。
由图4可知，本对比例制得的多孔陶瓷材料造孔剂中碳含量少于10wt％，而硅含量高于80wt％，因此在造孔部位形成无法去除的残留物，对陶瓷主体参数造成了影响。使制得的多孔陶瓷材料的相比于实施例1，抗压强度提高了11Mpa，抗折强度提高了14Mpa，气孔率降低了19％。
对比例6
有机造孔剂主要包括天然天然纤维、高分子聚合物和有机酸等，如锯末、萘、淀粉、及聚乙烯醇、尿素、甲基丙烯酸甲脂、聚氯乙烯、聚苯乙烯等，本对比例通过使用淀粉为有机造孔剂，经过混料，混料时间4h，其中陶瓷结合剂的成分为SiO2：60.32wt％，Al2O3：36.35wt％，CaO：0.31wt％，MgO：0.23wt％，Fe2O3：0.32wt％，TiO2：0.07wt％，K2O：2.40wt％，配料粒度为8000目，多孔陶瓷材料造孔剂占比30wt％，采用3Mpa压制，保压时间1min，经过830℃空气气氛处理2h，随炉冷却至室温，得到多孔材料如图5所示。因为在远低于陶瓷基体烧成温度下分解或者挥发，容易使气孔变形，使其气孔大小形状都不均匀。
无机造孔剂包括碳酸铵、碳酸氢铵、氯化铵等高温可分解盐类，这类造孔的特点是造孔剂在陶瓷基体温度下不排除，本对比例通过使用氧化铝陶瓷空心球为无机造孔剂，经过混料，混料时间4h，其中陶瓷结合剂的成分为SiO2：60.32wt％，Al2O3：36.35wt％，CaO：0.31wt％，MgO：0.23wt％，Fe2O3：0.32wt％，TiO2：0.07wt％，K2O：2.40wt％，配料粒度为8000目，多孔陶瓷材料造孔剂占比30wt％，采用3Mpa压制，保压时间1min，经过830℃空气气氛处理2h，随炉冷却至室温，得到多孔陶瓷材料如图6所示。而这类造孔剂造出来的气孔多为闭孔，严重限制的多孔陶瓷材料的优势。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。
Claims (10)
1.一种多孔陶瓷材料造孔剂，其特征在于：其原料为稻谷壳，其中含有碳27-28.5wt％、二氧化硅65.9-67.5wt％、氯化钙2.1-2.3wt％、三氯化二铁0.1-0.15wt％和氯化钾3.2-3.4wt％。
2.如权利要求1所述的一种多孔陶瓷材料造孔剂，其特征在于：其中含有碳27-28.5wt％、二氧化硅65.9-67.4wt％、氯化钙2.18-2.2wt％、三氯化二铁0.1-0.12wt％和氯化钾3.3wt％。
3.如权利要求1或2所述的一种多孔陶瓷材料造孔剂，其特征在于：其粒径为20-100μm。
4.如权利要求3所述的一种多孔陶瓷材料造孔剂，其特征在于：其粒径为40-50μm。
5.权利要求1至4中任一权利要求所述的一种多孔陶瓷材料造孔剂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)将稻谷壳在空气气氛下，于590-610℃热处理1-4h，随炉冷却至室温，获得第一产物；
(2)将第一产物破碎后过5000目筛，获得第二产物；
(3)将第二产物进行喷雾干燥制粒，先过300目筛，将透过的物料再过325目，所得未透过的物料即为所述多孔陶瓷材料造孔剂。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)为：将稻谷壳在空气气氛下，于600℃热处理1-4h，随炉冷却至室温，获得第一产物。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的破碎的方式为使用行星式球磨机进行破碎，行星式球磨机工艺参数为：配球为6mm陶瓷球，转速比：自转：公转为2：1，其公转转速为200rpm，球磨时间为12h。
8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述喷雾干燥制粒的具体工艺为：进风温度195-205℃，进料转速为45-55rpm，采用离心雾化方式，275-285m3/h气流，1.8-2.2Mpa压强。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述喷雾干燥制粒的具体工艺为：进风温度200℃，进料转速为50rpm，采用离心雾化方式，280m3/h气流，2Mpa压强。
10.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)为：将稻谷壳放入真空气氛炉中，600℃热处理4h，随炉冷却至室温，获得第一产物；所述步骤(2)中破碎的方式为使用行星式球磨机进行破碎，行星式球磨机工艺参数为：配球为6mm陶瓷球，转速比：自转：公转为2∶1，其公转转速为200rpm，球磨时间为12h；所述喷雾干燥制粒的具体工艺为：进风温度200℃，进料转速为50rpm，采用离心雾化方式，280m3/h气流，2Mpa压强。
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