一种多孔的轻质陶瓷颗粒及其制备方法

技术领域

本发明涉及新材料技术领域，具体为一种多孔的轻质陶瓷颗粒及其制备方法。

背景技术

多孔陶瓷具有气孔率高，密度低，强度高，化学稳定性高，便于制备等一系列优点。通过控制孔径的大小和分布，适用于液体的过滤。多孔陶瓷颗粒具有不规则的形状，表面粗糙，比表面积高，具有良好的吸附能力。而且多孔陶瓷颗粒堆积体，内部形成大量弯曲的通道，用作过滤材料不仅可以滤去水中各种粒度的有机和无机污染物，同时还可以除去水中的各种异味，与传统的沙滤相比，过滤效率更高。

但是传统的多孔陶瓷颗粒强度不佳，且孔隙率有待提高，同时传统多孔陶瓷颗粒在过滤的同时不具备其他性能，从而从性能看略显单一，因此，需研究和开发一种具备不同性能的高强度多孔陶瓷颗粒。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多孔的轻质陶瓷颗粒及其制备方法，以解决现有技术中存在的问题。

一种多孔的轻质陶瓷颗粒，其特征在于，主要包括以下重量份数的原料组分：60～80份氧化铝粉末，3～8份钾长石，2～5份高岭土，1～6份烧结助剂和8～12份致孔剂；

所述致孔剂包括硅粉、锌粉、硫酸钠、石蜡和改性木质素。

作为优化，所述烧结助剂是由氧化镁与氧化钇按质量比1：1～2：1混合制得。

作为优化，所述改性木质素是由木质素磺酸钠经1，6-二溴己烷和间苯三酚改性后制得。

作为优化，所述多孔的轻质陶瓷颗粒主要包括以下重量份数的原料组分：80份氧化铝粉末，3份钾长石，2份高岭土，4份烧结助剂和11份致孔剂。

作为优化，一种多孔的轻质陶瓷颗粒的制备方法，主要包括以下制备步骤：

(1)将间苯三酚与1，6-二溴己烷混合于乙醇中，搅拌反应后，得改性间苯三酚混合物，将改性间苯三酚混合物用石油醚萃取后，再加入碘化钾和木质素磺酸钠，并调节pH至碱性，搅拌反应后，透析，冷冻干燥，得改性木质素；

(2)将硅粉和锌粉混合，并加入硫酸钠和石蜡，混合研磨后，粉碎造粒，得混合粉末，将混合粉末与水混合，并加入改性木质素，搅拌混合后，过滤，干燥，得致孔剂；

(3)按重量份数计，依次称取：60～80份氧化铝粉末，3～8份钾长石，2～5份高岭土，1～6份烧结助剂和8～12份致孔剂，将氧化铝粉末与钾长石混合，并加入高岭土、烧结助剂和致孔剂，搅拌混合，得混合粉末；

(4)将混合粉末压制成型后先于惰性气体条件下升温至600～800℃，然后在空气中升温至1400～1600℃，保温烧结后，通入高速氮气，继续保温，出料，得多孔的轻质陶瓷颗粒。

作为优化，所述多孔的轻质陶瓷颗粒的制备方法主要包括以下制备步骤：

(1)将间苯三酚与1，6-二溴己烷按摩尔比1：1混合于烧杯中，并向烧杯中加入间苯三酚摩尔质量8～15倍的乙醇，于温度为80℃的条件下搅拌反应9～13h后，得改性间苯三酚混合物，将改性间苯三酚混合物用石油醚萃取除去1，6-二溴己烷后，再向改性间苯三酚混合物中加入改性间苯三酚混合物质量0.01～0.05倍的碘化钾和改性间苯三酚混合物质量0.1～0.4倍的木质素磺酸钠，并调节pH至11，于温度为80℃的条件下搅拌反应5h后，得改性木质素坯料，将改性木质素坯料用截留分子量1000的透析袋透析6～10h后，冷冻干燥，得改性木质素；

(2)将硅粉和锌粉按质量比1：1～2:1混合于研磨机中，并向研磨机中加入硅粉质量0.2～0.4倍的硫酸钠和硅粉质量0.5～0.8倍的石蜡，混合研磨后，粉碎造粒，得混合粉末，将混合粉末与水按质量比1:5～1:8混合于烧杯中，并向烧杯中加入混合粉末质量1～2倍的改性木质素，搅拌混合后，过滤，得滤饼，将滤饼于温度为60～80℃的条件下干20～40min后，得致孔剂；

(3)按重量份数计，依次称取：80份氧化铝粉末，3份钾长石，2份高岭土，4份烧结助剂和11份致孔剂，将氧化铝粉末与钾长石混合于搅拌机中，并向搅拌机中加入高岭土、烧结助剂和致孔剂，搅拌混合，得混合粉末；

(4)将混合粉末压制成型，得坯料，将坯料加入烧结炉中，先向烧结炉中以30～100mL/min的速率通入氮气，除尽空气后，以8～18℃/min的升温速率升温至600～800℃，然后向烧结中以80～150ml/min的速率通入空气，除去氮气后，以5～20℃/min的升温速率升温至1400～1600℃，保温烧结30～80min后，继续向烧结炉中高速通入氮气，继续于温度为1400～1600℃的条件下保温处理10～30min后，出料，得多孔的轻质陶瓷颗粒。

作为优化，步骤(2)所述石蜡为熔点为80～120℃的石蜡混合物。

作为优化，步骤(4)所述高速通入氮气中氮气的通入速率为10～40m/s。

作为优化，步骤(4)所述压制成型的压力为15～20MPa。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明在制备多孔的轻质陶瓷颗粒加入自制致孔剂，且在烧结过程中使用三段式烧结。

首先，自制致孔剂中加入了石蜡和改性木质素，由于石蜡的加入可在产品第一段加热过程中先熔化，从而在第一段烧结过程中填充坯料内的孔隙，时致孔剂均匀分布于产品坯料中，提高产品的孔隙率，其次，石蜡和改性木质素在第一段烧结过程中可被炭化，从而形成碳粉在坯料第二段烧结时起到致孔剂的作用，进而丰富产品的孔隙，提高产品的孔隙率；

其次，本发明在制备多孔的轻质陶瓷颗粒时使用三段式烧结，其中第一段在氮气氛围中的低温加热，可使得致孔剂中的有机质炭化，从而形成碳质材料，同时起到一定的致孔作用；第二段烧结过程则是在空气氛围中进行，在空气氛围中外露的碳质材料燃烧从而使坯料形成丰富的孔隙，进而提高产品的孔隙率；第三段烧结则是在高速氮气气流中进行，由于高速氮气气流的冲击，可使得硅粉与氮气在高温条件下形成定向的氮化硅晶须，从而增强产品的强度，并且，由于氮气气流的影响残留的碳质颗粒和未结合牢固的氧化锌可作为冲击粒子对未具备良好强度的陶瓷熔体进行冲击，进而进一步提高产品的孔隙率，并且经三段式烧结后，氧化锌仍存在于产品之中，从而赋予产品一定的抗菌性能。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了更清楚的说明本发明提供的方法通过以下实施例进行详细说明，在以下实施例中制作的多孔的轻质陶瓷颗粒的各指标测试方法如下：

抗压强度测试：用WDW-10型微机控制电子万能试验机测定各实施例所得多孔的轻质陶瓷颗粒与各对比例产品的抗弯强度。

显气孔率：采用阿基米德排水法测定各实施例所得多孔的轻质陶瓷颗粒与个对比例产品的气孔率。

实施例1

一种多孔的轻质陶瓷颗粒，按重量份数计，主要包括：80份氧化铝粉末，3份钾长石，2份高岭土，4份烧结助剂和11份致孔剂。

一种多孔的轻质陶瓷颗粒的制备方法，所述多孔的轻质陶瓷颗粒的制备方法主要包括以下制备步骤：

(1)将间苯三酚与1，6-二溴己烷按摩尔比1：1混合于烧杯中，并向烧杯中加入间苯三酚摩尔质量10倍的乙醇，于温度为80℃的条件下搅拌反应11h后，得改性间苯三酚混合物，将改性间苯三酚混合物用石油醚萃取除去1，6-二溴己烷后，再向改性间苯三酚混合物中加入改性间苯三酚混合物质量0.04倍的碘化钾和改性间苯三酚混合物质量0.3倍的木质素磺酸钠，并调节pH至11，于温度为80℃的条件下搅拌反应5h后，得改性木质素坯料，将改性木质素坯料用截留分子量1000的透析袋透析8h后，冷冻干燥，得改性木质素；

(2)将硅粉和锌粉按质量比1：1混合于研磨机中，并向研磨机中加入硅粉质量0.3倍的硫酸钠和硅粉质量0.6倍的石蜡，混合研磨后，粉碎造粒，得混合粉末，将混合粉末与水按质量比1:6混合于烧杯中，并向烧杯中加入混合粉末质量1.5倍的改性木质素，于温度为30℃，转速为300r/min的条件下搅拌混合60min后，过滤，得滤饼，将滤饼于温度为70℃的条件下干30min后，得致孔剂；

(3)按重量份数计，依次称取：80份氧化铝粉末，3份钾长石，2份高岭土，4份烧结助剂和11份致孔剂，将氧化铝粉末与钾长石混合于搅拌机中，并向搅拌机中加入高岭土、烧结助剂和致孔剂，搅拌混合，得混合粉末；

(4)将混合粉末压制成型，得坯料，将坯料加入烧结炉中，先向烧结炉中以30～100mL/min的速率通入氮气，除尽空气后，以15℃/min的升温速率升温至700℃，然后向烧结中以120ml/min的速率通入空气，除去氮气后，以18℃/min的升温速率升温至1500℃，保温烧结35min后，继续向烧结炉中高速通入氮气，继续于温度为1500℃的条件下保温处理15min后，出料，得多孔的轻质陶瓷颗粒。

作为优化，步骤(2)所述石蜡为熔点为80～120℃的石蜡混合物。

作为优化，步骤(4)所述高速通入氮气中氮气的通入速率为20m/s。

作为优化，步骤(4)所述压制成型的压力为18MPa。

作为优化，步骤(3)所述烧结助剂是由氧化镁与氧化钇按质量比1：1混合制得。

实施例2

一种多孔的轻质陶瓷颗粒，按重量份数计，主要包括：80份氧化铝粉末，3份钾长石，2份高岭土，4份烧结助剂和11份致孔剂。

一种多孔的轻质陶瓷颗粒的制备方法，所述多孔的轻质陶瓷颗粒的制备方法主要包括以下制备步骤：

(1)将硅粉和锌粉按质量比1：1混合于研磨机中，并向研磨机中加入硅粉质量0.3倍的硫酸钠和硅粉质量0.6倍的石蜡，混合研磨后，粉碎造粒，得混合粉末，将混合粉末与水按质量比1:6混合于烧杯中，并向烧杯中加入混合粉末质量1.5倍的木质素，于温度为30℃，转速为300r/min的条件下搅拌混合60min后，过滤，得滤饼，将滤饼于温度为70℃的条件下干30min后，得致孔剂；

(2)按重量份数计，依次称取：80份氧化铝粉末，3份钾长石，2份高岭土，4份烧结助剂和11份致孔剂，将氧化铝粉末与钾长石混合于搅拌机中，并向搅拌机中加入高岭土、烧结助剂和致孔剂，搅拌混合，得混合粉末；

(3)将混合粉末压制成型，得坯料，将坯料加入烧结炉中，先向烧结炉中以30～100mL/min的速率通入氮气，除尽空气后，以15℃/min的升温速率升温至700℃，然后向烧结中以120ml/min的速率通入空气，除去氮气后，以18℃/min的升温速率升温至1500℃，保温烧结35min后，继续向烧结炉中高速通入氮气，继续于温度为1500℃的条件下保温处理15min后，出料，得多孔的轻质陶瓷颗粒。

作为优化，步骤(1)所述石蜡为熔点为80～120℃的石蜡混合物。

作为优化，步骤(3)所述高速通入氮气中氮气的通入速率为20m/s。

作为优化，步骤(3)所述压制成型的压力为18MPa。

作为优化，步骤(2)所述烧结助剂是由氧化镁与氧化钇按质量比1：1混合制得。

实施例3

一种多孔的轻质陶瓷颗粒，按重量份数计，主要包括：80份氧化铝粉末，3份钾长石，2份高岭土，4份烧结助剂和11份致孔剂。

一种多孔的轻质陶瓷颗粒的制备方法，所述多孔的轻质陶瓷颗粒的制备方法主要包括以下制备步骤：

(1)将间苯三酚与1，6-二溴己烷按摩尔比1：1混合于烧杯中，并向烧杯中加入间苯三酚摩尔质量10倍的乙醇，于温度为80℃的条件下搅拌反应11h后，得改性间苯三酚混合物，将改性间苯三酚混合物用石油醚萃取除去1，6-二溴己烷后，再向改性间苯三酚混合物中加入改性间苯三酚混合物质量0.04倍的碘化钾和改性间苯三酚混合物质量0.3倍的木质素磺酸钠，并调节pH至11，于温度为80℃的条件下搅拌反应5h后，得改性木质素坯料，将改性木质素坯料用截留分子量1000的透析袋透析8h后，冷冻干燥，得改性木质素；

(2)将硅粉和锌粉按质量比1：1混合于研磨机中，并向研磨机中加入硅粉质量0.3倍的硫酸钠，混合研磨后，粉碎造粒，得混合粉末，将混合粉末与水按质量比1:6混合于烧杯中，并向烧杯中加入混合粉末质量1.5倍的改性木质素，于温度为30℃，转速为300r/min的条件下搅拌混合60min后，过滤，得滤饼，将滤饼于温度为70℃的条件下干30min后，得致孔剂；

(3)按重量份数计，依次称取：80份氧化铝粉末，3份钾长石，2份高岭土，4份烧结助剂和11份致孔剂，将氧化铝粉末与钾长石混合于搅拌机中，并向搅拌机中加入高岭土、烧结助剂和致孔剂，搅拌混合，得混合粉末；

(4)将混合粉末压制成型，得坯料，将坯料加入烧结炉中，先向烧结炉中以30～100mL/min的速率通入氮气，除尽空气后，以15℃/min的升温速率升温至700℃，然后向烧结中以120ml/min的速率通入空气，除去氮气后，以18℃/min的升温速率升温至1500℃，保温烧结35min后，继续向烧结炉中高速通入氮气，继续于温度为1500℃的条件下保温处理15min后，出料，得多孔的轻质陶瓷颗粒。

作为优化，步骤(4)所述高速通入氮气中氮气的通入速率为20m/s。

作为优化，步骤(4)所述压制成型的压力为18MPa。

作为优化，步骤(3)所述烧结助剂是由氧化镁与氧化钇按质量比1：1混合制得。

对比例1

一种多孔的轻质陶瓷颗粒，按重量份数计，主要包括：80份氧化铝粉末，3份钾长石，2份高岭土，4份烧结助剂和11份致孔剂。

一种多孔的轻质陶瓷颗粒的制备方法，所述多孔的轻质陶瓷颗粒的制备方法主要包括以下制备步骤：

(1)将硅粉和锌粉按质量比1：1混合于研磨机中，并向研磨机中加入硅粉质量0.3倍的硫酸钠，混合研磨后，粉碎造粒，得混合粉末，将混合粉末与水按质量比1:6混合于烧杯中，并向烧杯中加入混合粉末质量1.5倍的木质素，于温度为30℃，转速为300r/min的条件下搅拌混合60min后，过滤，得滤饼，将滤饼于温度为70℃的条件下干30min后，得致孔剂；

(2)按重量份数计，依次称取：80份氧化铝粉末，3份钾长石，2份高岭土，4份烧结助剂和11份致孔剂，将氧化铝粉末与钾长石混合于搅拌机中，并向搅拌机中加入高岭土、烧结助剂和致孔剂，搅拌混合，得混合粉末；

(3)将混合粉末压制成型，得坯料，将坯料加入烧结炉中，先向烧结炉中以30～100mL/min的速率通入氮气，除尽空气后，以15℃/min的升温速率升温至700℃，然后向烧结中以120ml/min的速率通入空气，除去氮气后，以18℃/min的升温速率升温至1500℃，保温烧结35min后，继续向烧结炉中高速通入氮气，继续于温度为1500℃的条件下保温处理15min后，出料，得多孔的轻质陶瓷颗粒。

作为优化，步骤(3)所述高速通入氮气中氮气的通入速率为20m/s。

作为优化，步骤(3)所述压制成型的压力为18MPa。

作为优化，步骤(2)所述烧结助剂是由氧化镁与氧化钇按质量比1：1混合制得。

对比例2

一种多孔的轻质陶瓷颗粒，按重量份数计，主要包括：80份氧化铝粉末，3份钾长石，2份高岭土，4份烧结助剂和11份致孔剂。

一种多孔的轻质陶瓷颗粒的制备方法，所述多孔的轻质陶瓷颗粒的制备方法主要包括以下制备步骤：

(1)将间苯三酚与1，6-二溴己烷按摩尔比1：1混合于烧杯中，并向烧杯中加入间苯三酚摩尔质量10倍的乙醇，于温度为80℃的条件下搅拌反应11h后，得改性间苯三酚混合物，将改性间苯三酚混合物用石油醚萃取除去1，6-二溴己烷后，再向改性间苯三酚混合物中加入改性间苯三酚混合物质量0.04倍的碘化钾和改性间苯三酚混合物质量0.3倍的木质素磺酸钠，并调节pH至11，于温度为80℃的条件下搅拌反应5h后，得改性木质素坯料，将改性木质素坯料用截留分子量1000的透析袋透析8h后，冷冻干燥，得改性木质素；

(2)将硅粉和锌粉按质量比1：1混合于研磨机中，并向研磨机中加入硅粉质量0.3倍的硫酸钠和硅粉质量0.6倍的石蜡，混合研磨后，粉碎造粒，得混合粉末，将混合粉末与水按质量比1:6混合于烧杯中，并向烧杯中加入混合粉末质量1.5倍的改性木质素，于温度为30℃，转速为300r/min的条件下搅拌混合60min后，过滤，得滤饼，将滤饼于温度为70℃的条件下干30min后，得致孔剂；

(3)按重量份数计，依次称取：80份氧化铝粉末，3份钾长石，2份高岭土，4份烧结助剂和11份致孔剂，将氧化铝粉末与钾长石混合于搅拌机中，并向搅拌机中加入高岭土、烧结助剂和致孔剂，搅拌混合，得混合粉末；

(4)将混合粉末压制成型，得坯料，将坯料加入烧结炉中，先向烧结炉中以30～100mL/min的速率通入氮气，除尽空气后，以15℃/min的升温速率升温至700℃，然后向烧结中以120ml/min的速率通入空气，除去氮气后，以18℃/min的升温速率升温至1500℃，保温烧结50min后，出料，得多孔的轻质陶瓷颗粒。

作为优化，步骤(2)所述石蜡为熔点为80～120℃的石蜡混合物。

作为优化，步骤(4)所述压制成型的压力为18MPa。

作为优化，步骤(3)所述烧结助剂是由氧化镁与氧化钇按质量比1：1混合制得。

效果例

下表1给出了采用本发明实施例1至3与对比例1至2的多孔的轻质陶瓷颗粒的性能分析结果。

表1

从表1中实施例1与对比例1的实验数据比较可发现，在制备多孔的轻质陶瓷颗粒时加入自制致孔剂，且使用三段式烧结方法可有效提高从的孔隙率和抗压强度；从实施例1与实施例2的实验数据比较可发现，当不在致孔剂中加入改性木质素时，产品中在第一段烧结时碳质材料形成量较少，从而影响产品的气孔率；从实施例1与对比例2的实验数据比较可发现，当在制备多孔的轻质陶瓷颗粒时不使用第三段烧结时，从内部无法形成氮化硅晶须，且由冲击无法形成空隙，进而降低产品的孔隙率。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何标记视为限制所涉及的权利要求。