多孔氧化锆陶瓷及其制备方法与流程

1.本发明属于多孔氧化锆陶瓷技术领域，具体涉及一种多孔氧化锆陶瓷及其制备方法。


背景技术：

2.随着科技进步的发展，氧化锆陶瓷在现在的社会占据着举足轻重的地位，特别是在轻质结构材料和生物材料方面，发挥着越来越重要的作用。氧化锆多孔陶瓷作为一种新兴的技术，具有密度低、热导系数低、抗热震稳定性好、耐化学腐蚀等诸多优良的优点，被广泛应用于制造过滤器、分离装置、混合元件等方面。
3.目前，制备氧化锆多孔陶瓷的方法很多，包括造孔剂法、发泡法、泡沫浸渍法、孔梯度制备等方法，应用最广泛的是造孔剂法和发泡法。传统的发泡法因为各种化学试剂的掺入，不但增加了工艺的复杂性、很难控制气孔，而且挥发时容易产生有毒气体，污染环境和危害人的身体健康。
4.专利cn108467281b公开了一种氧化锆多孔陶瓷的制备方法，包括以下步骤：将氧化锆粉体及碳纤维投入容器中，加入适量水，搅拌混合，在搅拌过程中投入发泡剂及稳泡剂，至鼓泡均匀，然后投入粘结剂，获得混合物料；将混合物料倒入成型模具，自然晾干成型，获得生坯；将生坯放入密闭箱，抽真空，然后充入丁烷和氧气至常压静置，1.5～3小时后，电子火点燃使丁烷燃烧，燃烧完毕，获得开孔的坯体；将开孔的坯体高温烧结，获得氧化锆多孔陶瓷。其加入碳纤维增加陶瓷的韧性及强度，同时采用阴离子表面活性剂作为发泡剂，并引入稳泡剂，开孔操作较为复杂，气孔难以控制。
5.专利cn109133980a提供了一种泡沫注凝法制备氧化锆多孔陶瓷的方法，将去离子水、丙烯酰胺、n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺和聚丙烯酸铵，按比例配制成预混液，与氧化锆原料粉混合球磨，制得浆料；在浆料中加入发泡剂、催化剂、引发剂，快速搅拌后注入模具固化成型，固化结束后脱模得到多孔陶瓷胚体；再进行干燥、烧结，得到氧化锆多孔陶瓷。其采用泡沫注凝法获得的多孔陶瓷坯体中气孔分布和结构均匀、强度较高，但是还需要加入引发剂和催化剂等化学试剂，容易产生有毒气体，污染环境和危害人的身体健康。


技术实现要素：

6.本发明解决的技术问题是：提供一种多孔氧化锆陶瓷，采用纯天然动物蛋白作为发泡剂，成本低、气孔均匀、易于工业化生产；本发明还提供其简单易行的制备方法。
7.本发明所述的多孔氧化锆陶瓷，由以下重量百分数的原料制成：
[0008][0009]
[0010]
所述氧化锆粉体优选为钇稳定氧化锆，粒度为0.4～0.5μm。
[0011]
所述分散剂为聚乙烯亚胺或聚丙烯酰胺。
[0012]
所述粘结剂为聚乙二醇或聚乙烯醇，优选为分子量600的聚乙二醇。
[0013]
所述发泡剂为动物蛋白发泡剂。
[0014]
所述稳泡剂为羟丙基甲基纤维素、油酸或石蜡乳液。
[0015]
本发明采用分散剂降低表面张力，改善粘结剂与粉体的相容性，稳泡剂的目的是控制泡沫破裂的时机，获得孔径大小均匀、排列紧密的孔，制备过程环保无污染，粘结剂保证了坯体形状完整性。各添加组分相互作用，保证了料浆的流动性和整体性，各组分用量增加或减少对后期成型和烧结产生不利影响。
[0016]
动物蛋白属于天然的发泡剂，具有界面活性，存在表面张力，在用于陶瓷材料中时，动物蛋白溶液在机械振动的过程中，空气会搅入其中产生泡沫，从而表面积增大，且在振动过程中，由于泡沫表面的蛋白已变性，因此凝固在表面而形成薄膜使搅入的空气不致外泄。
[0017]
所述多孔氧化锆陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
[0018]
(1)将氧化锆粉体溶于纯水，配制成25～50wt％的水溶液，然后加入分散剂，混合均匀，得到浆料；
[0019]
(2)将动物蛋白发泡剂加入到步骤(1)的浆料中，然后加入稳泡剂，研磨后倒入聚四氟乙烯模具中，进行发泡并固化成型，脱模，得到陶瓷素坯，
[0020]
(3)将陶瓷素坯在1450～1530℃温度下进行烧结，得到多孔氧化锆陶瓷。
[0021]
步骤(2)中，优选在行星磨中研磨，研磨时间30～60min，转速为120～160r/min。
[0022]
优选地，聚四氟乙烯模具在使用前，内部涂抹脱模剂。脱模剂为废机油或废柴油。
[0023]
固化成型温度为75～95℃，时间为10～15h。
[0024]
步骤(3)中，烧结时以2～4min/℃的升温速率升至1450～1530℃，保温1～3h，然后自然降温。
[0025]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0026]
(1)本发明通过在氧化锆浆料中外加动物蛋白发泡剂进行发泡，工艺简单，制作成本低，无需复杂昂贵的设备，为以后制备可控孔隙率的多孔陶瓷探索了一条新工艺；
[0027]
(2)本发明通过调节料浆的固含量和动物蛋白发泡剂加入量，可以调节多孔氧化锆陶瓷的孔结构和孔分布；
[0028]
(3)本发明制备的多孔氧化锆陶瓷材料，孔隙率达到70％以上。
具体实施方式
[0029]
下面结合实施例对本发明作进一步说明，本发明所涉及的保护范围并非仅限于以下实施例。
[0030]
实施例1
[0031]
多孔氧化锆陶瓷的原料组成如下：氧化锆粉体89.99％，聚乙烯亚胺1％，动物蛋白发泡剂8％，羟丙基甲基纤维素0.01％，聚乙二醇(600)1％。
[0032]
制备过程如下：
[0033]
(1)将氧化锆粉体溶于纯水，配制成25wt％的水溶液，然后加入聚乙烯亚胺和聚乙
二醇，混合均匀，得到浆料；
[0034]
(2)将动物蛋白发泡剂加入到(1)中，然后加入羟丙基甲基纤维素，在行星磨中均匀研磨30min，研磨后倒入内部涂抹有废机油的聚四氟乙烯模具中，然后置于干燥箱中，在75℃温度下进行发泡并固化成型10h，等待料浆固化后脱模，得到陶瓷素坯；
[0035]
(3)将陶瓷素坯在1450℃的条件下烧结2h，得到多孔氧化锆陶瓷。
[0036]
实施例2
[0037]
多孔氧化锆陶瓷的原料组成如下：氧化锆粉体91.99％，聚乙烯亚胺2％，动物蛋白发泡剂5％，石蜡乳液0.01％，聚乙二醇(600)1％。
[0038]
制备过程如下：
[0039]
(1)将氧化锆粉体溶于纯水，配制成30wt％的水溶液，然后加入聚乙烯亚胺和聚乙二醇，混合均匀，得到浆料；
[0040]
(2)将动物蛋白发泡剂加入到(1)中，然后加入羟丙基甲基纤维素，在行星磨中均匀研磨40min，研磨后倒入内部涂抹有废机油的聚四氟乙烯模具中成型，得到陶瓷坯体；
[0041]
(3)将带有聚四氟乙烯模具的陶瓷坯体置于干燥箱中，在80℃温度下进行发泡并固化成型12h，等待料浆固化后脱模，得到陶瓷素坯，将陶瓷素坯在1480℃的条件下烧结1h，得到多孔氧化锆陶瓷。
[0042]
实施例3
[0043]
多孔氧化锆陶瓷的原料组成如下：氧化锆粉体88.99％，聚丙烯酰胺1％，动物蛋白发泡剂8％，石蜡乳液0.01％，聚乙烯醇2％。
[0044]
制备过程如下：
[0045]
(1)将氧化锆粉体溶于纯水，配制成40wt％的水溶液，然后加入聚乙烯亚胺和聚乙烯醇，混合均匀，得到浆料；
[0046]
(2)将动物蛋白发泡剂加入到(1)中，然后加入石蜡乳液，在行星磨中均匀研磨45min，研磨后倒入内部涂抹有废机油的聚四氟乙烯模具中成型，得到陶瓷坯体；
[0047]
(3)将带有聚四氟乙烯模具的陶瓷坯体置于干燥箱中，在90℃温度下进行发泡并固化成型12h，等待料浆固化后脱模，得到陶瓷素坯，将陶瓷素坯在1500℃的条件下烧结2h，得到多孔氧化锆陶瓷。
[0048]
实施例4
[0049]
多孔氧化锆陶瓷的原料组成如下：氧化锆粉体87.98％，聚乙烯亚胺2％，动物蛋白发泡剂9％，羟丙基甲基纤维素0.02％，聚乙烯醇1％。
[0050]
制备过程如下：
[0051]
(1)将氧化锆粉体溶于纯水，配制成50wt％的水溶液，然后加入聚乙烯亚胺和聚乙烯醇，混合均匀，得到浆料；
[0052]
(2将动物蛋白发泡剂加入到(1)中，然后加入羟丙基甲基纤维素，在行星磨中均匀研磨50min，研磨后倒入内部涂抹有废机油的聚四氟乙烯模具中成型，得到陶瓷坯体；
[0053]
(3)将带有聚四氟乙烯模具的陶瓷坯体置于干燥箱中，在90℃温度下进行发泡并固化成型10h，等待料浆固化后脱模，得到陶瓷素坯，将陶瓷素坯在1530℃的条件下烧结2h，得到多孔氧化锆陶瓷。
[0054]
对比例1
[0055]
多孔氧化锆陶瓷的原料组成如下：氧化锆粉体89.98％，聚丙烯酰胺1％，聚氨酯发泡剂7％，石蜡乳液0.02％，聚乙烯醇2％。
[0056]
制备过程如下：
[0057]
(1)将氧化锆粉体溶于纯水，配制成40wt％的水溶液，然后加入聚乙烯亚胺和聚乙烯醇，混合均匀，得到浆料；
[0058]
(2)将聚氨酯发泡剂加入到(1)中，然后加入石蜡乳液，在行星磨中均匀研磨45min，研磨后倒入内部涂抹有废机油的聚四氟乙烯模具中成型，得到陶瓷坯体；
[0059]
(3)将带有聚四氟乙烯模具的陶瓷坯体置于干燥箱中，在90℃温度下进行发泡并固化成型12h，等待料浆固化后脱模，得到陶瓷素坯，将陶瓷素坯在1500℃的条件下烧结2h，得到多孔氧化锆陶瓷。
[0060]
将以上实施例1-4制备的多孔氧化锆陶瓷和对比例1制得的多孔氧化锆陶瓷，进行性能检测，其中气孔率检测方法为gb 6288-86粒状分子筛粒度测定方法；压缩强度检测方法为gb/t 1964-1996多孔陶瓷压缩强度试验方法；孔径检测方法为gb/t 1967-1996多孔陶瓷孔道直径试验方法；抗弯强度检测方法为gb/t 4741-1999陶瓷材料弯曲强度试验方法。检测结果如表1所示。
[0061]
表1各实施例和对比例制备的多孔氧化锆陶瓷性能测试结果
[0062]
项目实施例1实施例2实施例3实施例4对比例1气孔率(％)7373727564压缩强度(mpa)6.26.46.26.35.6平均孔径(μm)0.820.880.850.911.21抗弯强度(mpa)5155525845