一种表面活性剂疏水改性分散剂制备泡沫陶瓷的方法技术

本发明专利技术涉及一种表面活性剂疏水改性分散剂制备泡沫陶瓷的方法，包括：（1）以聚电解质分散剂分散陶瓷粉体形成水基陶瓷浆料，控制水基陶瓷浆料的固含量为30～60 vol.%；（2）向所述水基陶瓷浆料中加入表面活性剂，利用表面活性剂对所述聚电解质分散剂进行疏水改性，得到疏水改性的陶瓷浆料；（3）对所述疏水改性的陶瓷浆料进行机械搅拌发泡得到泡沫浆料，然后注入模具，泡沫浆料在室温下原位固化，再经脱模、干燥、烧结制得泡沫陶瓷。本发明专利技术首先根据陶瓷粉体表面物理化学特性选择合适的聚电解质分散剂，分散剂吸附在颗粒表面，发挥空间位阻和静电排斥的双重作用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种泡沫陶瓷的制备方法，更确切地说利用疏水改性分散剂分子间和陶瓷颗粒间的相互吸引作用实现泡沫浆料原位固化制备泡沫陶瓷的方法。
技术介绍
泡沫陶瓷在保温隔热、过滤、催化和医用植入体等领域有着广泛的应用。陶瓷浆料发泡是制备泡沫陶瓷的一种主要方法，具有工艺设备简单、绿色环保、实用性强等特点，有着重要的研究和应用价值。陶瓷浆料发泡制备泡沫陶瓷涉及两个关键步骤，一是气体的引入，二是泡沫浆料的固化。机械搅拌发泡是一种普遍采用的气体引入方式，即通过机械搅拌向浆料中引入气体，搅拌产生的剪切作用将引入的大气泡分割成小气泡，从而均匀分布在陶瓷浆料中，通过控制搅拌转速可以控制浆料中气泡的大小。由于浆料中的气泡容易发生合并、长大和破裂等问题，导致制备的泡沫陶瓷出现气孔尺寸偏大、孔径分布不均匀和结构塌陷等现象。因此，在浆料发泡法制备泡沫陶瓷过程中，需要将含有大量气泡的浆料由流体转变为固体，且不影响或尽量少影响泡沫结构。目前，常用的泡沫浆料固化方法有化学凝胶法和物理凝胶法。化学凝胶法，如丙烯酰胺自由基聚合凝胶固化体系(J.Euro.Ceram.Soc.,1999,19(12):2059-2066)和环氧树脂亲核加成凝胶固化体系(J.Euro.Ceram.Soc.,2008,28(1):217-222)，具有固化速度快和泡沫陶瓷脱模强度高等优点。但这两种体系使用的有机添加剂都具有一定的毒性，有害健康；其次，有机物的添加量较多，生产过程中产生的废液及素坯排胶产生的废气造成环境污染。另外，自由基聚合固化体系还存在氧阻聚的问题，需要特定操作环境，导致工艺复杂和高成本；而亲核加成固化体系所涉及的环氧树脂和多胺又存在原料价格较贵等问题。物理凝胶法包括直接凝固注模成型(DirectCoagulationCasting，简称DCC)和天然高分子凝胶固化成型。直接凝固注模成型通过改变浆料的pH值来调节陶瓷颗粒间的相互作用以实现固化，该方法需要针对不同的材料体系选择不同的固化策略，在制备泡沫陶瓷过程中仍然需要添加多种添加剂(J.Am.Ceram.Soc.,2007,90(1):16-22)，且泡沫陶瓷脱模强度较低。以明胶、淀粉为代表的天然高分子凝胶固化体系也被研究人员用于固化泡沫浆料(J.Euro.Ceram.Soc.,2003,23(1):75-80，中国专利ZL200510027545.2)，其具有无毒环保的优势，但是高分子的加入将导致浆料的粘度增大，影响泡沫浆料的浇注和泡沫陶瓷的结构均匀性；而且，高温烧结后这些高分子在孔壁上留下空穴，影响材料的力学性能和热学性能；同时，天然高分子凝胶固化体系需要改变外界条件才能诱发液-固转变实现固化，这会对泡沫结构的稳定性和陶瓷整体均匀性产生破坏性的影响。
技术实现思路
针对现有浆料发泡法制备泡沫陶瓷过程中泡沫浆料固化存在的诸多问题，本专利技术提供了一种表面活性剂疏水改性分散剂制备泡沫陶瓷的方法，包括：(1)以聚电解质分散剂分散陶瓷粉体形成水基陶瓷浆料，控制水基陶瓷浆料的固含量为30～60vol.％；(2)向所述水基陶瓷浆料中加入表面活性剂，利用表面活性剂对所述聚电解质分散剂进行疏水改性，得到疏水改性的陶瓷浆料；(3)对所述疏水改性的陶瓷浆料进行机械搅拌发泡得到泡沫浆料，然后注入模具，泡沫浆料在室温下原位固化，再经脱模、干燥、烧结制得泡沫陶瓷。本专利技术首先根据陶瓷粉体表面物理化学特性选择合适的聚电解质分散剂，分散剂吸附在颗粒表面，发挥空间位阻和静电排斥的双重作用。本专利技术利用分散剂的空间位阻和静电排斥作用制备低粘度、良好流动性的陶瓷浆料。在分散剂分散的陶瓷浆料中，添加与分散剂所带电荷性质相反的表面活性剂，表面活性剂在静电吸引作用下嫁接到分散剂分子链上，使分散剂被疏水改性。疏水改性后，吸附在陶瓷颗粒表面的分散剂提供的静电排斥作用减弱，疏水作用力和范德华作用力增强，引起颗粒之间的吸引作用增强，在无任何固化体系或外界环境控制的条件下，疏水改性分散剂分散的陶瓷颗粒相互吸引，将泡沫浆料固化下来，从而获得具有一定强度的泡沫陶瓷生坯，最后经烧结得到泡沫陶瓷。较佳地，所述陶瓷粉体为氧化物陶瓷粉体、非氧化物陶瓷粉体或复合陶瓷粉体，优选为氧化铝、氧化硅、氧化锆、碳化硅、氮化硅中的至少一种。较佳地，所述聚电解质分散剂为阴离子型聚电解质分散剂，优选为聚丙烯酸铵、聚丙烯酸钠、聚甲基丙烯酸铵、聚甲基丙烯酸钠中的至少一种。较佳地，所述聚电解质分散剂的加入量为陶瓷粉体质量的0.1～0.6wt.％。较佳地，所述表面活性剂为直链烷基阳离子表面活性剂，优选为十二烷基三甲基氯化铵、十四烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基氯化铵和十六烷基三甲基溴化铵中的至少一种。本专利技术利用表面活性剂对吸附在陶瓷颗粒表面的分散剂进行疏水改性，减小颗粒间的静电斥力，提高分散剂分子间和颗粒间的疏水作用力和范德华作用力，在无任何固化体系或外界环境控制的条件下，疏水改性分散剂分散的陶瓷颗粒相互吸引，将泡沫浆料固化下来，所得泡沫陶瓷生坯形状完整、内部无结构塌陷且具有良好的加工性。较佳地，所述表面活性剂的加入量为陶瓷粉体质量的0.01～0.1wt.％。较佳地，通过搅拌或球磨使表面活性剂分散均匀，所述搅拌或球磨混合的时间为10～30分钟。较佳地，所述机械搅拌发泡为在600～1400转/分钟的转速下搅拌1～3分钟。较佳地，所述原位固化为在室温下放置2～12小时。本专利技术可通过调节陶瓷浆料固含量、分散剂加入量、表面活性剂加入量和机械搅拌发泡工艺来控制泡沫陶瓷的气孔率、孔径分布和气孔之间的贯通性，具有泡沫结构可控性高、工艺实用性强的特点。针对不同陶瓷粉体，通过选择不同分散剂和表面活性剂，本专利技术可制备不同材质的泡沫陶瓷，具有方法适用性广的特点。本专利技术只需陶瓷粉体分散剂和表面活性剂两种添加剂即可实现泡沫陶瓷的固化，具有工艺可控性强和绿色环保等特点。与现有技术相比，本专利技术具有如下显著的效果：(1)本专利技术无需添加固化体系即可实现泡沫浆料的固化，避免固化体系的毒性和环境污染问题；(2)本专利技术通过调节分散剂和表面活性剂的加入量调控泡沫陶瓷的气孔率和孔径分布，满足不同应用需要；(3)本专利技术提供的方法适用于各类泡沫陶瓷的制备，工艺简单，可控性强，易于工业化生产。附图说明图1(a)、图1(b)、图1(c)分别为实施例1-3制备的氧化铝泡沫陶瓷显微结构随表面活性剂加入量的变化情况图，其中表面活性剂加入量分别为：(实施例1)0.05wt.％，(实施例2)0.0375wt.％，(实施例3)0.025wt.％；图2(a)、图2(b)分别为实施例4和5在不同搅拌发泡转速下制备氧化铝泡沫陶瓷的显微结构图，其中实施例4转速600rpm，实施例5转速1400rpm；图3(a)、图3(b)分别为实施例6(分散剂加入量0.2wt.％)和实施例7(分散剂加入量0.4wt.％)制备的氧化铝泡沫陶瓷显微结构随分散剂加入量的变化情况图；图4为实施例8制备的氧化铝泡沫陶瓷的显微结构；图5为实施例9制备的氧化铝泡沫陶瓷的显微结构；图6为实施例1、实施例2、实施例4和实施例5制备的氧化铝泡沫陶瓷实物图，(a)实施例1，(b)实施例2，(c)实施例4，(d)实施例5。具体实施方式以下通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种表面活性剂疏水改性分散剂制备泡沫陶瓷的方法，其特征在于，包括：（1）以聚电解质分散剂分散陶瓷粉体形成水基陶瓷浆料，控制水基陶瓷浆料的固含量为30～60 vol.%；（2）向所述水基陶瓷浆料中加入表面活性剂，利用表面活性剂对所述聚电解质分散剂进行疏水改性，得到疏水改性的陶瓷浆料；（3）对所述疏水改性的陶瓷浆料进行机械搅拌发泡得到泡沫浆料，然后注入模具，泡沫浆料在室温下原位固化，再经脱模、干燥、烧结制得泡沫陶瓷。

【技术特征摘要】
1.一种表面活性剂疏水改性分散剂制备泡沫陶瓷的方法，其特征在于，包括：（1）以聚电解质分散剂分散陶瓷粉体形成水基陶瓷浆料，控制水基陶瓷浆料的固含量为30～60vol.%；（2）向所述水基陶瓷浆料中加入表面活性剂，利用表面活性剂对所述聚电解质分散剂进行疏水改性，得到疏水改性的陶瓷浆料；（3）对所述疏水改性的陶瓷浆料进行机械搅拌发泡得到泡沫浆料，然后注入模具，泡沫浆料在室温下原位固化，再经脱模、干燥、烧结制得泡沫陶瓷。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述陶瓷粉体为氧化物陶瓷粉体、非氧化物陶瓷粉体或复合陶瓷粉体，优选为氧化铝、氧化硅、氧化锆、碳化硅、氮化硅中的至少一种。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述聚电解质分散剂为阴离子型聚电解质分散剂，优选为聚丙烯酸铵、聚丙烯酸钠、...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵瑾，王士维，岛井骏藏，周国红，张海龙，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31