[发明专利]孔道均匀贯通的多孔陶瓷及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及多孔陶瓷领域，尤其涉及孔径均匀可控、孔道三维贯通的多孔陶瓷制备。

背景技术

多孔陶瓷材料已经渗透到众多领域，环保、节能、化工、石油、冶炼、食品、制药、生物医学等多个科学领域都离不开多孔陶瓷材料，尤其在过滤、吸音、电极材料、催化、隔热、生物材料等方面有着不可替代的作用。

多孔陶瓷材料的孔结构特性决定其性能，孔道的均匀性和贯通性对多孔陶瓷性能具有重要影响。2006年Journal of membrane science杂志在第285卷，第一期，173-181页中描述了用形态不规则的粉煤灰颗粒制备平均孔径6.3μm的多孔陶瓷膜，发现陶瓷膜孔径不均，存在明显的孔道缺陷，孔径分布较宽，在过滤分离过程中很难避免细小颗粒的滤出。良好的孔道贯通性不仅有利于提高通量，而且当部分孔道堵塞时，依然能够为流体的流动提供较多的通路，从而能够维持良好的通量。另外，均匀的贯通孔道对于降低应力集中、维持过滤器的机械稳定性能有很大优势。目前，多孔陶瓷的制备工艺相对完善，气孔结构、分布、大小的调控相对已经成熟，但依然很难获得在三维尺度内完全均匀贯通的多孔陶瓷。

粉末烧结法是一种传统的造孔工艺，它是将陶瓷粉体堆积后进行烧结，颗粒接触部位通过传质烧结在一起，提供陶瓷强度，而颗粒堆积间隙在烧结后原位保留，成为多孔陶瓷孔道。该技术具有简单、直接、无需额外辅助造孔的特点。

但是，常规粉体通过粉末烧结法制备多孔陶瓷时，往往通过升温来提高扩散传质速率，形成颈部烧结，这会不可避免导致颗粒表面的熔融和烧结，引起孔道的收缩和封闭。这是因为常规球磨或者湿法获得的颗粒，其表面和内部均存在众多缺陷，比表面积也往往较大，具有较高的烧结活性。这些活性晶面在烧结过程中能够促使颗粒表面熔融，减少扩散传质为主导的有效温度区间，加快传质方式由扩散传质变为对孔结构不利的液体流动传质，导致烧结颈强度与孔道原位保留之间的产生矛盾。根本上说，矛盾的来源就是常规粉体在烧结中表面扩散传质与熔融传质之间没有明显的温度差，不能仅依靠提高烧结温度的方式获得高强烧结颈部而不影响颗粒之间的孔隙。此外，粉体中存在的团聚颗粒，在烧结过程中也会发生塌陷和急剧收缩，严重影响孔道的形成。

为了克服粉末烧结法中存在的这些问题，人们采取了很多方法，例如，微波烧结、热压烧结、放电等离子体烧结和电火花烧结等，这些方法都是为了缩短烧结时间和强化颗粒间的扩散传质，使得孔隙来不及收缩而得到保留；同时在一定程度上也能降低烧结温度，减少表面熔融程度，阻止颗粒间的团聚活化烧结。

此外，通过引入纳米晶粒，提高颈部烧结活性，促进传质，降低烧结温度，也能在提高烧结颈强度的同时，降低孔隙的收缩。还可以采用原料颗粒间的化学反应，促进颈部强化烧结，减少孔隙的收缩。也可以在颗粒表面氧化生成低熔点氧化物，利用该氧化物进行颗粒之间的传质烧结来获得强度提高的烧结颈部。

总之，粉末烧结法前期堆积孔的不均匀性及后期烧结过程孔隙的收缩，使多孔陶瓷往往具有宽泛的孔径分布，含有部分闭合孔、半通孔，贯通性不足，限制了多孔陶瓷在分离领域的应用。

发明内容

(1)发明目的

针对现有粉末烧结法制备多孔陶瓷的缺陷，本专利解决的技术问题是采用烧结活性较低的致密球形颗粒，通过粉末颗粒间紧密堆积造孔，利用紧密堆积颗粒间接触部分形成颈部烧结和低活性致密的表面很难发生表面熔融烧结的特点，经过高温烧结后，颗粒堆积颈部形成了烧结，提供陶瓷强度，堆积间隙保留下来形成均匀孔道。利用本专利提供的方法，采用粒径均一的活性较低的致密球形颗粒堆积烧结，能够形成具有均匀贯通孔道的多孔陶瓷。该孔道具有均匀、三维贯通的特性，多孔陶瓷具有较高的强度。

(2)技术方案

本发明使用的粉体原料，具有球形度好、粒径均匀、致密、烧结活性较低的特点，是由热等离子体技术制备。

经过一定的堆积方式，球形度好、粒径均一的颗粒能够形成紧密堆积，堆积间隙能够形成孔道均匀、三维贯通的孔隙。

选用注凝成型工艺，主要是考虑该工艺在球形颗粒堆积过程中具有的独到优势：颗粒首先形成紧密堆积，然后有机反应物质能在颗粒间隙聚合构成网络结构，使紧密堆积的球形颗粒形成粘结，粘结过程不会对颗粒的排布造成任何的影响。而在有机物质烧除过程中，分解产物从颗粒的堆积间隙能够彻底排除，颗粒堆积体结构不变。