一种双层结构多孔陶瓷及其制备方法和应用
文献发布时间：2023-06-19 19:28:50
技术领域
本发明涉及多孔陶瓷技术领域，尤其涉及了一种双层结构多孔陶瓷及其制备方法和应用。
背景技术
多孔陶瓷兼备了陶瓷材料与多孔结构的优点，因其具有孔隙率高、体积密度小、比表面积高、化学性能稳定、耐高温、耐腐蚀、导热性低等优良性能，作为隔热、催化、过滤材料得到广泛的应用，而随着现代工业的发展，多孔陶瓷的应用范围不断拓宽，对其性能的要求也在不断提升。然而，现有的多孔陶瓷的制备工艺常采用注浆成型或流延成型的方法，该方法生产周期长并且工艺复杂繁琐，制备而成的多孔陶瓷大多为单层陶瓷材料，而单层陶瓷材料往往存在孔隙率和孔径较为单一的缺陷，不足以满足人们对日益增长的多孔陶瓷性能的需求。双层结构的陶瓷材料因每层的孔隙率不同，通过双层且每层孔隙率不同的结构设计，可以实现陶瓷材料支撑性、过滤性等性能的进一步提升，然而对于如何实现层与层之间的材料结合一直是研究的重点和难点。因此，仍需寻求一种层次分明的、具备两种孔径和孔隙率的多孔陶瓷材料。
发明内容
本发明的目的是，克服现有技术的缺点和不足，制备出一种具有层次分明、两种孔径和孔隙率的双层结构多孔陶瓷，其制备工艺是将两种造孔剂含量不同的注塑料进行双射成型，做成不同原料层的胚体，然后经过烧结得到，采用的工艺制备简单、工艺参数易控制，且制备而成的陶瓷材料中双层材质的结合性好，并且具有层次分明的孔径和孔隙率。
为解决上述技术问题，本发明提供一种双层结构多孔陶瓷及其制备方法和应用。具体包括以下技术方案：
第一方面，提供一种双层结构多孔陶瓷，包括第一注塑原料和第二注塑原料；
所述的第一注塑原料，以质量百分比计，包括以下组分：
所述的第二注塑原料，以质量百分比计，包括以下组分：
所述的骨料为硅藻土，氧化铝，硅酸钠，三氧化二铁，氧化钙中的至少一种；所述的第一注塑原料和第二注塑原料的造孔剂含量不同。
进一步的，所述的造孔剂为淀粉、草木灰、聚甲基丙烯酸甲酯中至少一种。
进一步的，所述的粘结剂为石蜡、蜂蜡、聚乙二醇、聚苯乙烯中至少一种。
进一步的，所述的表面活性剂为硬脂酸钠、十二烷基硫酸钠、硬脂酸锌中的一种。
进一步的，所述的双层结构多孔陶瓷，包括第一注塑原料和第二注塑原料；
所述的第一注塑原料，以质量百分比计，包括以下组分：
所述的第二注塑原料，以质量百分比计，包括以下组分：
所述的骨料为硅藻土、硅酸钠和氧化钙；所述的造孔剂为聚甲基丙烯酸甲酯；所述的粘结剂为石蜡和蜂蜡；所述的表面活性剂为硬脂酸钠。
第二方面，提供如第一方面所述的双层结构多孔陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
S1.按质量百分比计，将骨料、造孔剂、粘结剂、表面活性剂加入到捏合机中在100-120℃下捏合3-6h，得到第一注塑原料和第二注塑原料，
S2.将第一注塑原料和第二注塑原料通过注塑成型机在60±3℃、注塑压力为20±3MPa的条件下进行双射成型，得到双层原料的陶瓷生胚，
S3.将陶瓷生胚放入脱脂烧结炉中进行热脱脂，
S4.将脱脂后的陶瓷胚体放入烧结炉中进行高温烧结得到双层结构多孔陶瓷。
进一步的，所述的步骤S1还包括预先将骨料和造孔剂加入到三维混料机中进行充分混合的步骤。
进一步的，所述的步骤S3中的热脱脂为将陶瓷生胚在0-600℃以0.5℃/min的速率升温后保温3h，得到脱脂后的陶瓷胚体。
进一步的，所述的步骤S4中的所述的高温烧结为将脱脂后的陶瓷胚体以5℃/min的升温速率升温至1000-1150℃，保温2h后进行自然冷却得到双层结构多孔陶瓷。
第三方面，提供如第一方面所述的双层结构多孔陶瓷在气溶胶雾化器方面的应用。
本发明通过造孔剂含量不同的两种注塑原料进行双射成型，制成双层原料的陶瓷胚体，然后经过烧结得到层次分明的、具有不同层次孔隙率的多孔陶瓷；通过粘结剂能够更好地粘结其他原料，避免陶瓷注射成型的过程中原料分离的现象；通过表面活性剂能够将骨料中的各组分均匀混合，增强陶瓷材料的韧性，使得制备出来的陶瓷材料不易断裂。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1双层结构多孔陶瓷的结构示意图。
具体实施方式
下面将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。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步介绍和说明。
双层结构多孔陶瓷的制备方法：
S1.按质量百分比计，将骨料、造孔剂、粘结剂、表面活性剂加入到捏合机中，在100-120℃下捏合3-6h，得到第一注塑原料和第二注塑原料，
S2.将第一注塑原料和第二注塑原料通过注塑成型机在60±3℃、注塑压力为20±3MPa的条件下进行双射成型，得到双层原料的陶瓷生胚，
S3.将陶瓷生胚放入脱脂烧结炉中在0-600℃以0.5℃/min的速率升温后保温3h的条件下进行热脱脂，
S4.将脱脂后的陶瓷胚体放入烧结炉中进行高温烧结得到双层结构多孔陶瓷。
步骤S1中，预先将骨料和造孔剂加入到三维混料机中进行充分混合，混合时间为5h。
步骤S1中还包括对第一注塑原料和第二注塑原料进行造粒处理，使得第一注塑原料和第二注塑原料的粒度相同。
步骤S2中，第一注塑原料和第二注塑原料分别在同一台注塑成型机上进行成型，注塑成型机配备两个系统同时出料，在成型模具中分层成型，得到双层原料的陶瓷生胚。由于两种原材料的主成分均相同，所以两种原材料的结合较优。
具体的，步骤S3为将陶瓷生胚放置于氧化铝匣钵中，然后在脱脂烧结炉中进行热脱脂，以0.5℃/min升温至200℃，保温1h后再以0.5℃/min升温至400℃，保温1h后以0.5℃/min升温至600℃，保温1h得到脱脂后的陶瓷胚体。
步骤S4中高温烧结为将脱脂后的陶瓷胚体以5℃/min的升温速率升温至1000-1150℃，保温2h后进行自然冷却得到双层结构多孔陶瓷。
实施例1
双层结构多孔陶瓷，包括第一注塑原料和第二注塑原料；
所述的第一注塑原料，以质量百分比计，包括以下组分：骨料(硅藻土、硅酸钠和氧化钙)50％，造孔剂(聚甲基丙烯酸甲酯)20％，粘结剂(石蜡23％和蜂蜡5％)28％，表面活性剂(硬脂酸钠)2％；
所述的第二注塑原料，以质量百分比计，包括以下组分：骨料(硅藻土、硅酸钠和氧化钙)58％，造孔剂(聚甲基丙烯酸甲酯)14％，粘结剂(石蜡21％和蜂蜡5％)26％，表面活性剂(硬脂酸钠)2％。
本实施例的双层结构多孔陶瓷的制备方法如下：
S1.将骨料和造孔剂加入到三维混料机中混合5h，按质量百分比计，将混合后的骨料和造孔剂、粘结剂、表面活性剂加入到捏合机中，在120℃下捏合3h，得到第一注塑原料和第二注塑原料，对第一注塑原料和第二注塑原料进行造粒处理，使得第一注塑原料和第二注塑原料的粒度相同；
S2.将第一注塑原料和第二注塑原料通过注塑成型机在60℃、注塑压力为20MPa的条件下进行双射成型，使得第一注塑原料在第二注塑原料的上层，得到双层原料的陶瓷生胚，
S3.将陶瓷生胚放于氧化铝匣钵中，然后在脱脂烧结炉中进行热脱脂，以0.5℃/min升温至200℃，保温1h后再以0.5℃/min升温至400℃，保温1h后以0.5℃/min升温至600℃，保温1h得到脱脂后的陶瓷胚体；
S4.将脱脂后的陶瓷胚体放入烧结炉中进行高温烧结，升温至1150℃再保温2h后自然冷却，得到双层结构多孔陶瓷。结构示意图如图1所示。
实施例2-4、对比例1-6的双层结构多孔陶瓷的制备方法与实施例1相同。
实施例2
双层结构多孔陶瓷，包括第一注塑原料和第二注塑原料；
所述的第一注塑原料，以质量百分比计，包括以下组分：骨料(硅藻土、硅酸钠和氧化钙)54％，造孔剂(聚甲基丙烯酸甲酯)23％，粘结剂(石蜡15％和蜂蜡6％)21％，表面活性剂(硬脂酸钠)2％；
所述的第二注塑原料，以质量百分比计，包括以下组分：骨料(硅藻土、硅酸钠和氧化钙)59％，造孔剂(聚甲基丙烯酸甲酯)18％，粘结剂(石蜡15％和蜂蜡6％)21％，表面活性剂(硬脂酸钠)2％。
实施例3
双层结构多孔陶瓷，包括第一注塑原料和第二注塑原料；
所述的第一注塑原料，以质量百分比计，包括以下组分：骨料(硅藻土、硅酸钠和氧化钙)50％，造孔剂(聚甲基丙烯酸甲酯)25％，粘结剂(石蜡20％和蜂蜡3％)23％，表面活性剂(硬脂酸钠)2％；
所述的第二注塑原料，以质量百分比计，包括以下组分：骨料(硅藻土、硅酸钠和氧化钙)54％，造孔剂(聚甲基丙烯酸甲酯)24％，粘结剂(石蜡15％和蜂蜡5％)20％，表面活性剂(硬脂酸钠)2％。
实施例4
双层结构多孔陶瓷，包括第一注塑原料和第二注塑原料；
所述的第一注塑原料，以质量百分比计，包括以下组分：骨料(硅藻土、硅酸钠和氧化钙)50％，造孔剂(聚甲基丙烯酸甲酯)20％，粘结剂(石蜡22％和蜂蜡7％)29％，表面活性剂(硬脂酸钠)1％；
所述的第二注塑原料，以质量百分比计，包括以下组分：骨料(硅藻土、硅酸钠和氧化钙)55％，造孔剂(聚甲基丙烯酸甲酯)24％，粘结剂(石蜡15％和蜂蜡5％)20％，表面活性剂(硬脂酸钠)1％。
对比例1
双层结构多孔陶瓷，包括第一注塑原料和第二注塑原料；
所述的第一注塑原料，以质量百分比计，包括以下组分：骨料(硅藻土、硅酸钠和氧化钙)50％，粘结剂(石蜡23％和蜂蜡5％)28％，表面活性剂(硬脂酸钠)2％，余量为水；
所述的第二注塑原料，以质量百分比计，包括以下组分：骨料(硅藻土、硅酸钠和氧化钙)58％，粘结剂(石蜡21％和蜂蜡5％)26％，表面活性剂(硬脂酸钠)2％，余量为水。
对比例2
双层结构多孔陶瓷，包括第一注塑原料和第二注塑原料；
所述的第一注塑原料，以质量百分比计，包括以下组分：骨料(硅藻土、硅酸钠和氧化钙)50％，造孔剂(聚甲基丙烯酸甲酯)20％，粘结剂(石蜡23％和蜂蜡5％)28％，表面活性剂(硬脂酸钠)2％；
所述的第二注塑原料，以质量百分比计，包括以下组分：骨料(硅藻土、硅酸钠和氧化钙)58％，造孔剂(聚甲基丙烯酸甲酯)20％，粘结剂(石蜡15％和蜂蜡5％)20％，表面活性剂(硬脂酸钠)2％。
对比例3
双层结构多孔陶瓷，包括第一注塑原料和第二注塑原料；
所述的第一注塑原料，以质量百分比计，包括以下组分：骨料(硅藻土、硅酸钠和氧化钙)50％，造孔剂(聚甲基丙烯酸甲酯)30％，粘结剂(石蜡15％和蜂蜡3％)18％，表面活性剂(硬脂酸钠)2％；
所述的第二注塑原料，以质量百分比计，包括以下组分：骨料(硅藻土、硅酸钠和氧化钙)58％，造孔剂(聚甲基丙烯酸甲酯)14％，粘结剂(石蜡21％和蜂蜡5％)26％，表面活性剂(硬脂酸钠)2％。
对比例4
双层结构多孔陶瓷，包括第一注塑原料和第二注塑原料；
所述的第一注塑原料，以质量百分比计，包括以下组分：骨料(硅藻土、硅酸钠和氧化钙)50％，造孔剂(聚甲基丙烯酸甲酯)20％，表面活性剂(硬脂酸钠)2％，余量为水；
所述的第二注塑原料，以质量百分比计，包括以下组分：骨料(硅藻土、硅酸钠和氧化钙)58％，造孔剂(聚甲基丙烯酸甲酯)14％，表面活性剂(硬脂酸钠)2％，余量为水。
对比例5
双层结构多孔陶瓷，包括第一注塑原料和第二注塑原料；
所述的第一注塑原料，以质量百分比计，包括以下组分：骨料(硅藻土、硅酸钠和氧化钙)50％，造孔剂(聚甲基丙烯酸甲酯)20％，粘结剂(石蜡23％和蜂蜡5％)28％，余量为水；
所述的第二注塑原料，以质量百分比计，包括以下组分：骨料(硅藻土、硅酸钠和氧化钙)58％，造孔剂(聚甲基丙烯酸甲酯)14％，粘结剂(石蜡21％和蜂蜡5％)26％，余量为水。
对比例6
双层结构多孔陶瓷，包括第一注塑原料和第二注塑原料；
所述的第一注塑原料，以质量百分比计，包括以下组分：骨料(硅藻土、硅酸钠和氧化钙)50％，造孔剂(聚甲基丙烯酸甲酯)20％，余量为水；
所述的第二注塑原料，以质量百分比计，包括以下组分：骨料(硅藻土、硅酸钠和氧化钙)58％，造孔剂(聚甲基丙烯酸甲酯)14％，余量为水。
对实施例1-4、对比例1-6的双层结构多孔陶瓷进行性能测试，测试结果如表1所示：
表1实施例1-4、对比例1-6的双层结构多孔陶瓷性能测试结果
由表1测试结果可知，利用本发明制备方法制备出来的双层结构多孔陶瓷孔隙率高、孔径大、导油速率高，而当双层结构多孔陶瓷中不含造孔剂(对比例1)或粘结剂(对比例4)或表面活性剂(对比例5)，孔隙率较低，孔径较小、导油速率低。且双层结构多孔陶瓷缺少多种组分(对比例6)会比缺少单一组分(对比例4、对比例5)效果更差。
综上所述，与现有技术相比，本发明的双层结构多孔陶瓷具有以下优势：
1.双层结构多孔陶瓷制备的同时也保证了双层材质的结合性；
2.制备工艺简单，成型工艺可以一次完成，工艺参数易控制；
3.制备而成的双层结构的陶瓷材料具有层次分明的孔径及孔隙率，可以更好地应用在气溶胶雾化器中。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。