一种呼吸机用无铅压电陶瓷雾化片及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及雾化片技术领域，具体涉及一种呼吸机用无铅压电陶瓷雾化片及其制备方法和应用。

背景技术

雾化吸入是一种以呼吸道和肺为靶器官的直接给药方法，具有起效快、局部药物浓度高、用药量少、应用方便及全身不良反应少等优点，已作为呼吸系统相关疾病重要的治疗手段。目前一些呼吸机中，采用雾化吸入装置用于实现患者雾化吸入，将药物转变为气溶胶形态，并经口腔或鼻腔吸入。该雾化吸入装置中即含有压电陶瓷雾化片。

压电陶瓷是一种实现机械能与电能相互转化的功能陶瓷材料，它既具有铁电陶瓷的一般性能，又具有独特的压电性能。压电陶瓷材料由于具有独特的压电性能，优异的机电耦合性能及介电性和弹性性能，且制备工艺简单、体积小、不受电磁干扰、成本低等特点，因此在航天、信息、生物、精密仪器等高新技术领域及工业生产中都得到了广泛应用。

目前使用的压电雾化片都是采用锆钛酸铅基压电材料制造的。而在锆钛酸铅材料中，铅元素约占材料总重量的70％，这类陶瓷材料在生产、使用以及废弃处理过程中都会给人类健康和生态环境造成十分严重的损害。特别是将其应用于呼吸机中时，更容易对人类健康造成损害。因此多数设备逐渐使用无铅压电陶瓷雾化片。

但现有的无铅压电陶瓷雾化片中，采用高温烧银工艺进行被银，但是所得到的银层在长时间的高湿、直流电场等环境下，易发生银离子迁移和氧化，在使用一段时间后，无铅压电陶瓷雾化片的性能越来越差，使雾化片的使用寿命明显降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种呼吸机用无铅压电陶瓷雾化片及其制备方法和应用。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种呼吸机用无铅压电陶瓷雾化片，包括无铅压电陶瓷片以及设置于所述无铅压电陶瓷片表面的银电极层，所述银电极层外依次覆有碳纳米管层和保护层；

所述保护层包括以下重量份的原料：二氧化硅20-28份、氧化钕/Mg/Al(CO

优选的，所述氧化钕/Mg/Al(CO

优选的，所述纳米氧化钕、水、乙醇、Mg/Al(CO

优选的，所述二氧化硅的粒径D50为1-10μm；所述粘结剂为水玻璃，所述水玻璃的模数为2.7-2.9，浓度为20-25波美度；所述助剂包括分散剂，所述分散剂为水性聚丙烯酸钠盐分散剂。

作为一个总的发明构思，本发明还提供了一种呼吸机用无铅压电陶瓷雾化片的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备无铅压电陶瓷片；

(2)将无铅压电陶瓷片清洗后烘干；

(3)在经步骤(2)处理后的无铅压电陶瓷片的表面涂覆银浆，再至于700-750℃下保温10-20min，然后冷却至室温，得到表面涂覆银电极层的无铅压电陶瓷片；

(4)在银电极层上喷涂碳纳米管溶液，然后置于80-90℃的烘箱中烘烤40-60min，使银电极层外形成碳纳米管层；

(5)在碳纳米管层外涂覆保护层涂料，形成保护层，再至于100-105℃的烘箱中放置8-15h，得到无铅压电陶瓷雾化片初品；

(6)将所述无铅压电陶瓷雾化片初品经过电极处理，然后将其底面与具有出雾孔的不锈钢膜片进行粘结，制备得到无铅压电陶瓷雾化片。

优选的，所述步骤(1)中，所述无铅压电陶瓷片包括以下重量分的原料：氧化铋10-15份、二氧化钛4-6份、碳酸锶1.5-2.5份、五氧化二钒1-2份、氧化铕0.8-1.1份、氧化镧0.5-0.8份；

优选的，所述无铅压电陶瓷片由以下方法制备得到：按配比称取各原料，采用湿法球磨后混合均匀，干燥后至于820-880℃下预烧1.5-2h，得预烧粉体；将预烧的粉料研磨过筛，加入粘合剂造粒，将所得粒料压制成型，将所得坯体排胶处理，然后进行高温烧结，高温烧结温度为1200-1250℃，烧结时间为2-3.5h，冷却至室温，得无铅压电陶瓷片。

优选的，所述保护层涂料由以下方法制备得到：按配方称取各原料；将氧化钕/Mg/Al(CO

优选的，所述步骤(4)中，所述碳纳米管溶液的浓度为1-1.5mg/ml，所用溶剂为水；所述碳纳米管的直径为5-50nm，长度为2-50μm。

作为一个总的发明构思，本发明还提供了一种应用，具体为呼吸机用无铅压电陶瓷雾化片在换能器、变压器中的应用。

本发明的技术效果是：

1、本发明在无铅压电陶瓷片的银电极层外设置碳纳米管层，碳纳米管层具有优异的导电性能，且碳纳米管可以填充金属银层颗粒间的孔隙，增强其致密程度，因此可增强导电层的导电作用，同时碳纳米管可对银电极层形成保护层，减少银离子迁移和氧化，从而有效延长导电层的使用寿命，进而延长无铅压电陶瓷雾化片的使用寿命。

2、本发明在碳纳米管层设置保护层，采用二氧化硅作为主要基材，并加入氧化钕/Mg/Al(CO

本发明保护层原料配合合理，无需经过高温处理，即可形成稳定的保护层涂层，整体强度高，耐腐蚀性能好，且附着力强。可进一步对碳纳米管层形成较好的保护，进一步提升无铅压电陶瓷雾化片的使用寿命。

3、本发明中制备无铅压电陶瓷片时，在原料中加入氧化铕和氧化镧，可促进晶粒生长，使此陶瓷片内部组织均匀，配合其他的各原料，使制备得到的压电陶瓷具有优良的高压电常数、机电耦合系数、介电常数，性能优良，从而提升雾化片的品质。

4、本发明制备得到的无铅压电陶瓷雾化片不仅在呼吸机中具有很好的应用效果，同时可应用于多种换能器、变压器中。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。

实施例1：

一种保护层涂料，包括以下重量份的原料：二氧化硅25份、氧化钕/Mg/Al(CO

上述氧化钕/Mg/Al(CO

其中，纳米氧化钕、水、乙醇、Mg/Al(CO

上述保护层涂料由以下方法制备得到：按配方称取各原料；将氧化钕/Mg/Al(CO

实施例2：

一种保护层涂料，包括以下重量份的原料：二氧化硅28份、氧化钕/Mg/Al(CO

上述氧化钕/Mg/Al(CO

其中，纳米氧化钕、水、乙醇、/Mg/Al(CO

上述保护层涂料由以下方法制备得到：按配方称取各原料；将氧化钕/Mg/Al(CO

实施例3：

一种保护层涂料，包括以下重量份的原料：二氧化硅20份、氧化钕/Mg/Al(CO

上述氧化钕/Mg/Al(CO

其中，纳米氧化钕、水、乙醇、Mg/Al(CO

上述保护层涂料由以下方法制备得到：按配方称取各原料；将氧化钕/Mg/Al(CO

实施例4：

一种无铅压电陶瓷片，包括以下重量分的原料：氧化铋13份、二氧化钛6份、碳酸锶2.5份、五氧化二钒1.5份、氧化铕1份、氧化镧0.6份。

上述无铅压电陶瓷片由以下方法制备得到：按配比称取各原料，采用湿法球磨后混合均匀，干燥后至于850℃下预烧2h，得预烧粉体；将预烧的粉料研磨过筛，加入适量质量浓度为7％的聚乙烯醇溶液进行造粒，将所得粒料压制成型，将所得坯体排胶处理，然后进行高温烧结，高温烧结温度为1230℃，烧结时间为3.5h，冷却至室温，得无铅压电陶瓷片。

实施例5：

一种无铅压电陶瓷片，包括以下重量分的原料：氧化铋10份、二氧化钛4份、碳酸锶2份、五氧化二钒2份、氧化铕0.8份、氧化镧0.5份。

上述无铅压电陶瓷片由以下方法制备得到：按配比称取各原料，采用湿法球磨后混合均匀，干燥后至于820℃下预烧2h，得预烧粉体；将预烧的粉料研磨过筛，加入适量质量浓度为7％的聚乙烯醇溶液进行造粒，将所得粒料压制成型，将所得坯体排胶处理，然后进行高温烧结，高温烧结温度为1200℃，烧结时间为2h，冷却至室温，得无铅压电陶瓷片。

实施例6：

一种无铅压电陶瓷片，包括以下重量分的原料：氧化铋15份、二氧化钛5.5份、碳酸锶1.5份、五氧化二钒1份、氧化铕1.1份、氧化镧0.8份。

上述无铅压电陶瓷片由以下方法制备得到：按配比称取各原料，采用湿法球磨后混合均匀，干燥后至于880℃下预烧1.5h，得预烧粉体；将预烧的粉料研磨过筛，加入适量质量浓度为7％的聚乙烯醇溶液进行造粒，将所得粒料压制成型，将所得坯体排胶处理，然后进行高温烧结，高温烧结温度为1250℃，烧结时间为2-3.h，冷却至室温，得无铅压电陶瓷片。

实施例7：

一种呼吸机用无铅压电陶瓷雾化片，包括无铅压电陶瓷片以及设置于无铅压电陶瓷片表面的银电极层，银电极层外依次覆有碳纳米管层和保护层。

制备方法包括以下步骤：

(1)采用实施例5中的方法制备无铅压电陶瓷片；

(2)将无铅压电陶瓷片清洗后烘干；

(3)在经步骤(2)处理后的无铅压电陶瓷片的表面(上下表面)涂覆银浆，再至于730℃下保温16min，然后冷却至室温，得到表面涂覆银电极层的无铅压电陶瓷片；

(4)在银电极层上喷涂碳纳米管溶液，然后置于90℃的烘箱中烘烤45min，使银电极层外形成碳纳米管层；

其中，碳纳米管溶液的浓度为1.5mg/ml，所用溶剂为水；碳纳米管的直径为5-50nm，长度为2-50μm；

(5)在碳纳米管层外涂覆实施例1中方法制备得到的保护层涂料，形成保护层，再至于105℃的烘箱中放置8h，得到无铅压电陶瓷雾化片初品；

(6)将所述无铅压电陶瓷雾化片初品经过电极处理，然后将其底面与具有出雾孔的不锈钢膜片进行粘结，制备得到无铅压电陶瓷雾化片。

实施例8：

一种呼吸机用无铅压电陶瓷雾化片，包括无铅压电陶瓷片以及设置于无铅压电陶瓷片表面的银电极层，银电极层外依次覆有碳纳米管层和保护层。

制备方法包括以下步骤：

(1)采用实施例4中的方法制备无铅压电陶瓷片；

(2)将无铅压电陶瓷片清洗后烘干；

(3)在经步骤(2)处理后的无铅压电陶瓷片的表面涂覆银浆，再至于700℃下保温20min，然后冷却至室温，得到表面涂覆银电极层的无铅压电陶瓷片；

(4)在银电极层上喷涂碳纳米管溶液，然后置于80℃的烘箱中烘烤60min，使银电极层外形成碳纳米管层；

其中，碳纳米管溶液的浓度为1mg/ml，所用溶剂为水；碳纳米管的直径为5-50nm，长度为2-50μm；

(5)在碳纳米管层外涂覆实施例2中方法制备得到的保护层涂料，形成保护层，再至于100℃的烘箱中放置15h，得到无铅压电陶瓷雾化片初品；

(6)将所述无铅压电陶瓷雾化片初品经过电极处理，然后将其底面与具有出雾孔的不锈钢膜片进行粘结，制备得到无铅压电陶瓷雾化片。

实施例9：

一种呼吸机用无铅压电陶瓷雾化片，包括无铅压电陶瓷片以及设置于无铅压电陶瓷片表面的银电极层，银电极层外依次覆有碳纳米管层和保护层。

制备方法包括以下步骤：

(1)采用实施例6中的方法制备无铅压电陶瓷片；

(2)将无铅压电陶瓷片清洗后烘干；

(3)在经步骤(2)处理后的无铅压电陶瓷片的表面涂覆银浆，再至于750℃下保温10min，然后冷却至室温，得到表面涂覆银电极层的无铅压电陶瓷片；

(4)在银电极层上喷涂碳纳米管溶液，然后置于90℃的烘箱中烘烤40min，使银电极层外形成碳纳米管层；

其中，碳纳米管溶液的浓度为1.5mg/ml，所用溶剂为水；碳纳米管的直径为5-50nm，长度为2-50μm；

(5)在碳纳米管层外涂覆实施例3中方法制备得到的保护层涂料，形成保护层，再至于105℃的烘箱中放置10h，得到无铅压电陶瓷雾化片初品；

(6)将所述无铅压电陶瓷雾化片初品经过电极处理，然后将其底面与具有出雾孔的不锈钢膜片进行粘结，制备得到无铅压电陶瓷雾化片。

实施例10：

一种呼吸机用无铅压电陶瓷雾化片，包括无铅压电陶瓷片以及设置于无铅压电陶瓷片表面的银电极层，银电极层外依次覆有碳纳米管层和保护层。

制备方法包括以下步骤：

(1)采用实施例6中的方法制备无铅压电陶瓷片；

(2)将无铅压电陶瓷片清洗后烘干；

(3)在经步骤(2)处理后的无铅压电陶瓷片的表面涂覆银浆，再至于700℃下保温10min，然后冷却至室温，得到表面涂覆银电极层的无铅压电陶瓷片；

(4)在银电极层上喷涂碳纳米管溶液，然后置于90℃的烘箱中烘烤40min，使银电极层外形成碳纳米管层；

其中，碳纳米管溶液的浓度为1.3mg/ml，所用溶剂为水；碳纳米管的直径为5-50nm，长度为2-50μm。

(5)在碳纳米管层外涂覆实施例2中方法制备得到的保护层涂料，形成保护层，再至于100℃的烘箱中放置13h，得到无铅压电陶瓷雾化片初品；

(6)将所述无铅压电陶瓷雾化片初品经过电极处理，然后将其底面与具有出雾孔的不锈钢膜片进行粘结，制备得到无铅压电陶瓷雾化片。

实施例11：

一种呼吸机用无铅压电陶瓷雾化片，包括无铅压电陶瓷片以及设置于无铅压电陶瓷片表面的银电极层，银电极层外依次覆有碳纳米管层和保护层。

制备方法包括以下步骤：

(1)采用实施例4中的方法制备无铅压电陶瓷片；

(2)将无铅压电陶瓷片清洗后烘干；

(3)在经步骤(2)处理后的无铅压电陶瓷片的表面涂覆银浆，再至于700℃下保温20min，然后冷却至室温，得到表面涂覆银电极层的无铅压电陶瓷片；

(4)在银电极层上喷涂碳纳米管溶液，然后置于90℃的烘箱中烘烤45min，使银电极层外形成碳纳米管层；

其中，碳纳米管溶液的浓度为1.5mg/ml，所用溶剂为水；碳纳米管的直径为5-50nm，长度为2-50μm。

(5)在碳纳米管层外涂覆实施例1中方法制备得到的保护层涂料，形成保护层，再至于105℃的烘箱中放置10h，得到无铅压电陶瓷雾化片初品；

(6)将所述无铅压电陶瓷雾化片初品经过电极处理，然后将其底面与具有出雾孔的不锈钢膜片进行粘结，制备得到无铅压电陶瓷雾化片。

对比例1：

一种呼吸机用无铅压电陶瓷雾化片，包括无铅压电陶瓷片以及设置于无铅压电陶瓷片表面的银电极层，银电极层外覆有保护层。

制备方法包括以下步骤：

(1)采用实施例6中的方法制备无铅压电陶瓷片；

(2)将无铅压电陶瓷片清洗后烘干；

(3)在经步骤(2)处理后的无铅压电陶瓷片的表面涂覆银浆，再至于750℃下保温10min，然后冷却至室温，得到表面涂覆银电极层的无铅压电陶瓷片；

(4)在银电极层层外涂覆实施例3中方法制备得到的保护层涂料，形成保护层，再至于105℃的烘箱中放置10h，得到无铅压电陶瓷雾化片初品；

(5)将所述无铅压电陶瓷雾化片初品经过电极处理，然后将其底面与具有出雾孔的不锈钢膜片进行粘结，制备得到无铅压电陶瓷雾化片。

对比例2：

一种呼吸机用无铅压电陶瓷雾化片，包括无铅压电陶瓷片以及设置于无铅压电陶瓷片表面的银电极层，银电极层外依次覆有碳纳米管层。

制备方法包括以下步骤：

(1)采用实施例6中的方法制备无铅压电陶瓷片；

(2)将无铅压电陶瓷片清洗后烘干；

(3)在经步骤(2)处理后的无铅压电陶瓷片的表面涂覆银浆，再至于750℃下保温10min，然后冷却至室温，得到表面涂覆银电极层的无铅压电陶瓷片；

(4)在银电极层上喷涂碳纳米管溶液，然后置于90℃的烘箱中烘烤40min，使银电极层外形成碳纳米管层；

其中，碳纳米管溶液的浓度为1.5mg/ml，所用溶剂为水；碳纳米管的直径为5-50nm，长度为2-50μm；

(5)进行电极处理，然后底面与具有出雾孔的不锈钢膜片进行粘结，制备得到无铅压电陶瓷雾化片。

对比例3：

一种呼吸机用无铅压电陶瓷雾化片，包括无铅压电陶瓷片以及设置于无铅压电陶瓷片表面的银电极层。

制备方法包括以下步骤：

(1)采用实施例6中的方法制备无铅压电陶瓷片；

(2)将无铅压电陶瓷片清洗后烘干；

(3)在经步骤(2)处理后的无铅压电陶瓷片的表面涂覆银浆，再至于750℃下保温10min，然后冷却至室温，得到表面涂覆银电极层的无铅压电陶瓷片；

(4)进行电极处理，然后底面与具有出雾孔的不锈钢膜片进行粘结，制备得到无铅压电陶瓷雾化片。

性能测试：

(1)采用实施例7-11和对比例1-2中的制备方法，制备直径为环形的无铅压电陶瓷雾化片，无铅压电陶瓷片的外径为15mm，内径为6mm。对该压电陶瓷雾化片进行盐雾试验，并检测使用寿命。检测和试验结果如表1所示。

表1：

由表2可知，在无铅压电陶瓷片的银电极层外设置碳纳米管层和保护层，可明显提升无铅压电陶瓷雾化片的使用寿命，而设置保护层，对于提高压电陶瓷雾化片的耐腐蚀性具有更明显的作用。

(2)测定实施例4-6中方法制备得到的无铅压电陶瓷的压电常数、机电耦合系数、介电常数进行测试，压电常数的检测标准为GB/T11309-1989；机电耦合系数的检测标准为GB/T11312-1989；介电常数的检测标准为GB/T3389-2008。具体检测结果如表2所示。

表2：

由表2可知，本发明制备得到的无铅压电陶瓷的高压电常数、机电耦合系数、介电常数的数值均较高，性能优良。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。