專利名稱：一種定向孔氧化物材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種定向孔氧化物材料及制備方法，涉及一種具有人工模擬生物孔結(jié)構(gòu)特征 的多孔材料及制備方法，屬于多孔材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著人們對(duì)無(wú)機(jī)多孔材料的研究不斷深化，目前已研發(fā)出多種多孔材料，其 中，具有生物結(jié)構(gòu)特征的多孔材料圓其結(jié)構(gòu)特征，在導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、流體傳輸、 生物兼容性以及機(jī)械特性方面具有普通多孔陶瓷所沒(méi)有的特性。該類材料在結(jié)構(gòu) 支撐、聲波吸收以及生物組織工程等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。
目前，具有生物結(jié)構(gòu)特征的多孔材料的制備方法采用天然植物的莖桿作模版
原料，經(jīng)干燥、脫水和碳化得到結(jié)構(gòu)記憶模板，然后可分別采用三種不同的方式，
包括氣態(tài)滲入法、液態(tài)滲入法或溶膠-凝膠浸漬法，將氧化物先驅(qū)物滲入或浸漬
到結(jié)構(gòu)記憶模板中，經(jīng)過(guò)干燥后和熱處理，制備得到具有生物孔結(jié)構(gòu)特征的多孔
材料。但是，由上述方法制備的多孔材料存在局限性。首先，選用的植物模板的
材質(zhì)結(jié)構(gòu)存在很大的差異性，因?yàn)椴煌瑯?shù)木或植物的木質(zhì)結(jié)構(gòu)不同；其次，即便
是同一種木質(zhì)，取自樹(shù)木的不同部位，其木質(zhì)結(jié)構(gòu)也不盡相同；再者，在不同地
區(qū)生長(zhǎng)的同一種樹(shù)木，其木質(zhì)結(jié)構(gòu)也存在差異。諸多因素導(dǎo)致模板結(jié)構(gòu)存在差異，
最終造成該類材料的結(jié)構(gòu)差異，限制了該類材料的應(yīng)用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于公開(kāi)一種定向孔氧化物材料；本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提 供一種定向孔氧化物材料的制備方法。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出通過(guò)模板原位形成，開(kāi)展人工模擬制備具有 生物孔結(jié)構(gòu)特征的定向孔氧化物材料的研究設(shè)想。對(duì)含有氧化物先驅(qū)物的膠體分 散體系，采用定向移動(dòng)冷凍的方法，使分散劑沿一定方向受控凝固，經(jīng)真空干燥 得到含有氧化物先驅(qū)物的定向孔干凝膠，再對(duì)干凝膠進(jìn)行熱處理，最終得到一種 定向孔氧化物材料。本發(fā)明所表述的定向孔氧化物材料是由氧化物的顆粒以及定向孔結(jié)構(gòu)組成。 定向孔結(jié)構(gòu)是指在氧化物中分布著定向排布的管狀 L，孔結(jié)構(gòu)具有各向異性，孔 徑在l-20微米范圍可調(diào)節(jié)，孔隙率在20%~80%之間，定向孔的孔壁間通過(guò)微孔 相連通。氧化物是指二氧化硅、二氧化鈦、氧化鋯、氧化鐵、氧化鋅、氧化鋁、 氧化鋇中的一種。
本發(fā)明的定向孔氧化物材料的制備方法是
第一步，氧化物先驅(qū)物膠體的制備
先按重量百分比分別稱取氧化物先驅(qū)物和分散劑為氧化物先驅(qū)物分散劑 =(40%~95%) : (60%~5%)，然后將它們?cè)?0'C 7(TC水浴中攪拌形成膠體，得到 氧化物先驅(qū)物膠體。
第二步，定向孔干凝膠的制備
將第一步制得的膠體移至市售的底部呈現(xiàn)圓錐形塑料離心管中，將該離心管 固定在可精確控制升降速率的裝置上，調(diào)整離心管位置，使離心管底部與液氮表 面接觸，然后在1 100毫米/小時(shí)的下降速率范圍內(nèi)，將離心管垂直下降，直至
離心管中的膠體全部浸沒(méi)在液氮中，然后停止下降并保持此狀態(tài)3小時(shí)；再將離
心管置于凍干機(jī)中24 72小時(shí)，得到具有定向孔結(jié)構(gòu)的含氧化物先驅(qū)物的干凝 膠。
第三步，定向孔干凝膠的熱處理
將第二步制得的干凝膠至于管式爐中，通入氮?dú)猓诘獨(dú)獗Ｗo(hù)下，以1 20 'C/分鐘的升溫速率升至400 70(TC并恒溫2~6小時(shí)，最后以5-l(TC/分鐘的降溫 速率降至室溫。
第四步，定向孔氧化物燒成
將第三步熱處理的干凝膠置于管式加熱爐中并通入空氣，以1 5。C/分鐘的升 溫速率，升溫至800 1200'C并恒溫2 6小時(shí)，再以5 1(TC/分鐘的降溫速率，降 至室溫，得到定向孔氧化物材料。
上述第一步所說(shuō)的氧化物先驅(qū)物是正硅酸乙酯、鈦酸丁酯、硫酸鋁、硫酸氧 鈦、氯化氧鋯、硝酸鋇、硫酸鋅、酚醛樹(shù)脂、聚己內(nèi)酯、聚氧化乙烯、水溶性淀 粉、甲基纖維素、乙基纖維素中的一種或重量百分比為20~70%:80 30%的任意上述第一步所說(shuō)的分散劑是乙醇、己垸、甲苯、四氫呋喃、氯仿、對(duì)甲苯磺 酰氯、六亞甲基四胺、聚甲醛、硝酸、水中的一種或按重量百分比為20~80% : 80~20%的任意兩種。
本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)和效果
1) 由于本發(fā)明采用模板原位形成的方法，克服了植物模板因結(jié)構(gòu)差異大， 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)難以調(diào)解等缺陷，從而大大提高了材料中各組成成分的均勻性，擴(kuò)大了 產(chǎn)品的應(yīng)用范圍。
2) 由本發(fā)明制得的定向孔氧化物材料中，形成定向排布的管狀孔，孔徑在 1 20微米范圍可調(diào)節(jié)，孔隙率在20~80%之間，孔結(jié)構(gòu)具有各向異性而且孔壁中 有微孔，因此，具有良好的生物孔結(jié)構(gòu)特征。
3) 所得定向孔氧化物材料可用于結(jié)構(gòu)支撐、聲波吸收以及生物組織工程等 方面。


附圖1為本發(fā)明方法制備的定向孔二氧化硅軸向孔結(jié)構(gòu)SEM圖； 附圖2定向孔二氧化硅徑向孔結(jié)構(gòu)SEM圖。
具體實(shí)施方法
實(shí)施例1
先按酚醛樹(shù)脂正硅酸乙酯對(duì)甲苯磺酰氯水=30% : 50% : 10% : 10% 重量百分比，分別稱取酚醛樹(shù)脂、正硅酸乙酯、對(duì)甲苯磺酰氯和水，在4(TC水 浴中攪拌形成膠體；將膠體移至市售的底部呈圓錐形塑料離心管中，將該離心管 固定在可精確控制升降的裝置上，調(diào)整離心管位置，使離心管底部到與液氮表面 接觸，然后以50毫米/小時(shí)的下降速率使離心管下降，直至其中的膠體全部浸沒(méi) 在液氮中，然后停止下降并保持此狀態(tài)3小時(shí)；再將離心管放在凍干機(jī)中凍干 48小時(shí)，取出其中樣品，置于管式爐中通入氮?dú)獠⒁?。C/分鐘的升溫速率升至 200°C，恒溫5小時(shí)，然后通入空氣，以5匸/分鐘的升溫速率，升至500。C并保 溫3小時(shí)，再以1(TC/分鐘的升溫速率，升至900。C，最后以10。C/分鐘的降溫速 率降至室溫，得到平均孔徑為5微米的定向孔二氧化硅多孔材料。實(shí)施例2
先按甲基纖維素硫酸氧鈦硝酸水=30% : 40% : 10% : 20%重量百分比 分別稱取甲基纖維素、硫酸氧鈦、硝酸和水，在6(TC水浴中攪拌形成膠體；將 膠體移至市售的底部呈圓錐形塑料離心管中，將該離心管固定在可精確控制升降 的裝置上，調(diào)整離心管位置，使離心管底部與液氮表面接觸，然后以30毫米/ 小時(shí)的下降速率范圍內(nèi)將離心管下降，直至其中的膠體全部浸沒(méi)在液氮中，然后 停止下降并保持此狀態(tài)3小時(shí)；再將離心管放在凍干機(jī)中凍干48小時(shí)，取出其 中樣品，放入管式爐中通入氮?dú)獠⒁?'C/分鐘的升溫速率升至60(TC，恒溫5小 時(shí)，然后通入空氣，以1(TC/分鐘的升溫速率，升至90(TC并保溫3小時(shí)，再以 1(TC/分鐘的降溫速率，降至室溫，得到平均孔徑為5微米的定向孔二氧化鈦生 物陶瓷。
實(shí)施例3
先按酚醛樹(shù)脂鈦酸丁酯對(duì)甲苯磺酰氯水=40% : 40% : 15% : 5%重量 百分比分別稱取酚醛樹(shù)脂、鈦酸丁酯、對(duì)甲苯磺酰氯和水，在5(TC水浴中攪拌 形成膠體；將膠體移至市售的底部呈圓錐形塑料離心管中，將該離心管固定在可 精確控制升降的裝置上，調(diào)整離心管位置，使離心管底部與液氮表面接觸，然后 以20毫米/小時(shí)的下降速率使離心管下降，直至其中的膠體全部浸沒(méi)在液氮中， 然后停止下降并保持此狀態(tài)3小時(shí)；再將離心管放在凍干機(jī)中凍干48小時(shí)，取 出其中樣品，置于管式爐中通入氮?dú)獠⒁?'C/分鐘的升溫速率升至20(TC，恒溫 5小時(shí)，然后通入空氣，以5r/分鐘的升溫速率，升至500'C并保溫3小時(shí)，再 以10'C/分鐘的升溫速率，升至90(TC，最后以1(TC/分鐘的降溫速率降至室溫， 得到平均孔徑為5微米的定向孔氧化鈦多孔材料。
權(quán)利要求
1.一種定向孔氧化物材料，其特征在于由氧化物以及定向孔結(jié)構(gòu)構(gòu)成，在氧化物中分布著定向排布的管狀孔，孔徑在1～20微米范圍可調(diào)節(jié)，孔隙率在20％～80％之間，孔結(jié)構(gòu)具有各向異性而且孔壁中由微孔連通；氧化物是指二氧化硅、二氧化鈦、氧化鋯、氧化鐵、氧化鋅、氧化鋁、氧化鋇中的一種。
2.權(quán)利要求l的定向孔氧化物材料的制備方法，其特征在于 第一步，氧化物先驅(qū)物膠體的制備按重量百分比分別稱取氧化物先驅(qū)物和分散劑，氧化物先驅(qū)物分散劑 =(40%~95%) :(60%~5%)， 10 7(TC水浴中攪拌，得到氧化物先驅(qū)物膠體；氧化物先驅(qū)物是正硅酸乙酯、鈦酸丁酯、硫酸鋁、硫酸氧鈦、氯化氧鋯、硝 酸鋇、硫酸鋅、酚醛樹(shù)脂、聚己內(nèi)酯、聚氧化乙烯、水溶性淀粉、甲基纖維素、 乙基纖維素中的一種或重量百分比為(20%~70%):( 80%~30%)的任意2種；所說(shuō)的分散劑是乙醇、己垸、甲苯、四氫呋喃、氯仿、對(duì)甲苯磺酰氯、六亞 甲基四胺、聚甲醛、硝酸、水中的一種或按重量百分比為(20%~80%) : (80%~20%) 的任意2種；第二步，定向孔干凝膠的制備將第一步制得的膠體移至市售的底部呈圓錐形塑料離心管中，將該離心管固 定在可精確控制升降速率的裝置上，調(diào)整離心管位置，使離心管底部與液氮表面 接觸，然后在1-100毫米/小時(shí)的下降速率范圍內(nèi)，使離心管下降，直至離心管 中的膠體全部浸沒(méi)在液氮中，然后停止下降并保持此狀態(tài)3小時(shí)；再將離心管置 于凍干機(jī)中凍干24~72小時(shí)，得到具有定向孔結(jié)構(gòu)的氧化物先驅(qū)物的干凝膠；第三步，干凝膠的熱處理將第二步制得的干凝膠至于管式爐中，通入氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)氣體，以rc 2o'c/ 分鐘的升溫速率升至400 70(TC并恒溫2~6小時(shí)，最后以5。C 10。C/分鐘的降溫 速率降至室溫；第四步，定向孔氧化物的燒成將第三步得到的干凝膠置于管式加熱爐中并通入空氣，以rc 5。c/分鐘的升溫速率，升溫至800 1200。C并恒溫2 6小時(shí)，再以5 1(TC/分鐘的降溫速率，降 至室溫，得到定向孔氧化物材料。
全文摘要
一種定向孔氧化物材料及制備方法，涉及一種具有人工模擬生物孔結(jié)構(gòu)特征的定向孔氧化物材料及制備方法。對(duì)含有氧化物先驅(qū)物的膠體分散系，采用定向移動(dòng)冷凍的方法，使分散劑沿一定方向受控凝固并使用真空干燥工藝，得到含有氧化物先驅(qū)物的定向孔干凝膠，對(duì)其進(jìn)行熱處理，最終得到一種定向孔氧化物材料。該材料由氧化物以及定向孔結(jié)構(gòu)組成。定向孔結(jié)構(gòu)是指在氧化物中分布著定向排布的管狀孔，孔徑在1～20微米范圍可調(diào)節(jié)，孔隙率在20％～80％之間，孔結(jié)構(gòu)具有各向異性而且孔壁中由微孔連通。本發(fā)明提高了各組成在材料中的均勻性，所得材料具有良好的生物結(jié)構(gòu)孔特征，可用于結(jié)構(gòu)支撐、聲波吸收以及生物組織工程等方面。
文檔編號(hào)C04B35/46GK101555157SQ20091004891
公開(kāi)日2009年10月14日 申請(qǐng)日期2009年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月7日
發(fā)明者徐子頡, 飛 汪, 王瑋衍, 逯愛(ài)慧, 超 馬 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)