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一文了解多孔氧化铝陶瓷制备方法及应用
2019年02月14日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:2750
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多孔氧化铝陶瓷不仅具有氧化铝陶瓷耐高温、耐腐蚀性好,同时具有多孔材料比表面积大、热导率低等优良特点,现已广泛应用于净化分离、固定化酶载体、吸声减震和传感器材料等众多领域,在航天航空、能源、石油等领域中也具有十分广阔的应用前景。材料的性能与应用取决于其相组成和微观结构,多孔氧化铝陶瓷正是利用了氧化铝陶瓷固有属性和多孔陶瓷的孔隙结构,其中影响孔隙结构的主要因素是制备工艺与技术。

1  多孔氧化铝陶瓷管

一、多孔氧化铝陶瓷的制备工艺

目前,多孔氧化铝陶瓷的制备工艺主要有添加造孔剂法、有机泡沫浸渍法、发泡法、颗粒堆积工艺、冷冻干燥法和凝胶注模法。

1、添加造孔剂法

添加造孔剂法是制备多孔氧化铝陶瓷较为简单、经济的方法,该工艺是在氧化铝陶瓷生坯制备过程中加入固态造孔剂,然后通过烧结去除造孔剂留下气孔。添加造孔剂法制备多孔氧化铝陶瓷的关键在于造孔剂的种类和数量,其次是造孔剂粒径大小。添加造孔剂的目的在于提高材料的气孔率,因此要求其不能与基体反应,同时在加热过程中易于排除且排除后无有害残留物质。

常用的造孔剂分为有机造孔剂和无机造孔剂两大类,有机造孔剂主要有淀粉、松木粉、聚乙烯醇、聚乙二醇等;无机造孔剂主要有碳酸铵、氯化铵等高温可分解盐类和各类碳粉。

2  具有梯度分布孔的氧化铝陶瓷(左)及 SEM 图片(右)

添加造孔剂法制备多孔氧化铝陶瓷优点是:工艺简单,成本低,易于大规模生产;缺点是:造孔剂作为第二相加入,与基体材料很难完全混合均匀,容易造成材料性质的不均匀。另外,造孔剂本身占据的空间有限,同时在烧结过程中会有烧结收缩,因此一般造孔剂法所得到的多孔陶瓷的气孔率一般低于50%

2、有机泡沫浸渍法

有机泡沫浸渍法是一种利用网络结构的有机泡沫浸渍陶瓷浆料,然后通过高温烧结去除有机载体,从而获得具有开孔三维网状多孔陶瓷的方法,目前已成为制备多孔氧化铝陶瓷材料应用最广泛的技术之一。研究者以聚氨酯泡沫塑料为模板,采用两步涂覆工艺复制出氧化铝多孔陶瓷滤波器,首先将塑料泡沫浸渍在浆料中获得第一层,然后采用喷涂及离心技术获得第二层,结果发现第二层涂层对材料的均匀性和压缩强度有较大影响,采用离心技术时低粘度浆料效果较好,采用喷涂技术时,高浓度氧化铝浆料更好。

有机泡沫浸渍法优点是:工艺简单、操作方便、成本低廉,通过选择不同种类的有机泡沫可以调节多孔材料的微观结构和形貌。常用的有机泡沫包括聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚亚胺酯、海绵和乳胶。

3、发泡法

发泡法是一种通过向氧化铝陶瓷浆料中加入起泡剂,或者通过快速搅拌将气体引入到陶瓷坯体,然后再经过烧结获得多孔氧化铝陶瓷材料的方法。与有机泡沫浸渍法相比,发泡法可以制备出小孔径的闭口气孔,通过控制发泡剂的用量和发泡时间等因素,可以得到所需孔径尺寸的多孔氧化铝陶瓷。常用的发泡剂有碳化钙、氢氧化钙、双氧水等。

3  多孔氧化铝陶瓷SEM

发泡法优点是:工艺较为简单、成本也很低;缺点是:气体的产生不能精确控制,孔径大小不均匀,气孔密度无法控制。此外,由于热力学不稳定,气泡间易于相互结合形成较大的气泡以降低系统自由能。通常采用加入表面活性剂的方法来降低气 - 液界面能。

4、颗粒堆积工艺

颗粒堆积工艺利用小颗粒易于烧结,在高温下产生液相的特点,使氧化铝颗粒连接起来制备多孔陶瓷。在该工艺中,对于孔径尺寸的控制可以通过选择不同粒径的颗粒来实现,所得多孔氧化铝陶瓷中孔径大小与颗粒粒径成正比,氧化铝颗粒粒径越大,形成的孔径就越大;颗粒越均匀,产生的气孔分布越均匀。一般来说,原料颗粒的尺寸应为所需孔径尺寸的三至六倍。但是当需要获得大气孔时,就要选择较大的颗粒,容易造成烧结困难。为了降低烧结温度,通常在制备过程中加入低熔点的粘结剂使氧化铝颗粒之间形成连接。

目前,研究者利用颗粒堆积工艺制备多孔氧化铝陶瓷,探讨了三种粒径的氧化铝颗粒级配对孔径分布和抗折强度的影响,结果发现粗颗粒对孔径分布起决定作用;中等颗粒将大颗粒桥接起来,有利于提高强度,但对孔隙率影响较小;小颗粒的作用与其聚集状态有关:如均匀分散,则抗弯强度随孔隙率的轻微增加而增加,但团聚的小颗粒对抗弯强度和孔径分布均不利。

5、冷冻干燥法

冷冻干燥法是一种先将氧化铝陶瓷浆料冷冻,然后通过降压使溶剂从固相直接升华成气相,从而获得多孔结构的方法。该方法制备出的多孔氧化铝陶瓷为联通孔结构,通过控制浆料中冰晶的生长方向,可以得到定向分布的孔洞,最终烧结成为具有相应结构的多孔氧化铝陶瓷。

冷冻干燥法优点是:以水为造孔剂,引入的添加剂较少,对环境不会造成任何污染,材料的孔隙率可以通过改变浆料的固含量进行调整,是一种绿色环保的工艺,可用于高定向、高气孔率多孔材料的制备。

6、凝胶注模成型工艺

凝胶注模成型工艺首先在有机单体和交联剂的混合溶液中加入氧化铝陶瓷粉体制备悬浮液,然后加入引发剂和催化剂,通过有机单体的聚合和交联反应使悬浮液固化成型,所得多孔氧化铝坯体结构均匀、强度高,可进行一定的机械加工,随后进行烧结制备得到多孔氧化铝陶瓷。

4  凝胶注模成型工艺制备多孔氧化铝陶瓷工艺流程图

凝胶注模成型技术优点是可用于制备形状复杂的多孔氧化铝陶瓷;缺点是:丙烯酰胺具有较强的神经毒性,限制了其更广泛的应用,因此寻找低毒乃至无毒的交联凝胶体系成为凝胶注模成型工艺的主要研究方向之一。

二、多孔氧化铝陶瓷应用

1、催化剂载体材料

多孔氧化铝陶瓷具有优异的耐热性、高硬度和优异的化学稳定性,是理想的催化剂载体,利用催化燃烧法将有机废气转化为无毒的二氧化碳和水。

5  多孔氧化铝陶瓷

2、传感器材料

多孔氧化铝陶瓷可被用作湿度传感器,其工作原理是空气中的水被吸附到多孔的表面上,引起了材料的电导的变化,即空气湿度越大,多孔氧化铝陶瓷吸附的水层越厚,则传感器的电导越大,因此可以根据材料电导的大小来推断周围环境的湿度。

3、微孔膜材料

多孔氧化铝陶瓷特别适合制成陶瓷分离膜。采用不同的制备工艺,可以制备孔径尺寸从4nm15μm的不同孔径的分离膜。与高分子膜相比,陶瓷分离膜耐高温、强度高,可适用高压体系;耐腐蚀,对于堆积在膜表面或微孔内的有机物,可采用酸洗或高温烧失处理。多孔氧化铝陶瓷分离膜在高温烟气分离、各类油与水的分离、各类研磨油的再生、污水处理、排放液中有用物质的回收、超纯水的制备等方面有着广阔的应用前景。

6  多孔氧化铝陶瓷特别适合制成陶瓷分离膜

4、电池隔膜材料

多孔氧化铝陶瓷可以用作电解液隔膜及电池用隔离板等。利用多孔氧化铝陶瓷与液体和气体接触面积大,槽电压比一般材料低的特点,制作的电解隔膜材料可大大降低电解槽电压,提高电解效率,节约电能和电极材料,其形状多为板状和管状,目前在化学电池、燃料电池和光化学电池中均有应用。

 

参考文献:1、王蒙,王俊勃,贺辛亥等,多孔氧化铝陶瓷的研究进展,应用化工。

2、戴培,王泌宝,李晓丽,多孔陶瓷制备技术研究进展,陶瓷学报。

3、罗震峰,冯小明,艾桃桃,基于冰冻干燥法制备高气孔率氧化铝多孔陶瓷,铸造技术。

4、卢志华,李呈顺,马育栋,多孔氧化铝陶瓷制备技术研究进展,极速5分快三陶瓷。

 

作者:乐心

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