一種鈦酸鋇泡沫陶瓷及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鈦酸鋇泡沫陶瓷及其制備方法，屬于泡沫陶瓷技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]泡沫陶瓷(Foam Ceramic，F(xiàn)C)是一種經(jīng)特殊工藝制作而成的具有三維立體網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)和貫通氣孔的新型多孔陶瓷材料。比較成熟的泡沫陶瓷制備工藝有發(fā)泡工藝、添加造孔劑工藝及有機(jī)泡沫浸漬法等。其中，有機(jī)泡沫浸漬法具有工藝簡單、可批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。然而，該工藝大部分采用微米或是更大尺寸的陶瓷原料以及無機(jī)助劑制備陶瓷漿料，因此常常需要進(jìn)行長時(shí)間的研磨以得到分散均勻、流動(dòng)性良好的漿料。
[0003]鑒于泡沫陶瓷所具有的高化學(xué)穩(wěn)定性、高強(qiáng)度、耐高溫、抗熱震、低密度、高氣孔率、大比表面積等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此其廣泛應(yīng)用于制備汽車尾氣裝置、節(jié)能隔熱材料、工業(yè)污水處理、化學(xué)催化劑載體、生物材料等。值得注意，現(xiàn)有的泡沫陶瓷材料基本上為終端產(chǎn)品，直接應(yīng)用，尚未用于制備高介電常數(shù)樹脂基復(fù)合材料。
[0004]目前，泡沫陶瓷主要有碳化硅(SiC)、氧化鋁(Al2O3)和氮化硅(Si3N4)。它們的介電常數(shù)都較小(一般小于12)，不能滿足高介電材料的性能要求。同時(shí)，現(xiàn)有的泡沫陶瓷材料的強(qiáng)度較低，因此為了提高其強(qiáng)度，往往在制備過程中添加大量的無機(jī)助劑，難于得到化學(xué)組成單一的純凈泡沫陶瓷。如“氧化鋁質(zhì)泡沫陶瓷過濾器”(CN 101164658)的中國發(fā)明專利，公開了一種以氧化鋁為主要成分所制備的一種適合于鋁、鋁合金及銅過濾凈化的氧化鋁質(zhì)泡沫陶瓷過濾器。該泡沫陶瓷在制備過程中加入了二氧化硅、滑石、高嶺土為燒結(jié)助劑，得到的是一種含有其他雜質(zhì)的氧化鋁質(zhì)泡沫陶瓷。又如“氮化硅質(zhì)泡沫陶瓷及其制備方法”(CN 102093076A)的中國發(fā)明專利，公開了一種以氮化硅為主要成分，以氧化釔、氧化鋁以及二氧化硅為燒結(jié)助劑，采用有機(jī)泡沫浸漬法制備的一種氮化硅質(zhì)泡沫陶瓷。眾所周知，在眾多的材料性能之中，介電性能是對(duì)結(jié)構(gòu)變化最為敏感的性能之一。因此，雜質(zhì)的存在將不利于保持原有介電陶瓷的優(yōu)異介電性能。
[0005]鈦酸鋇陶瓷具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、高介電常數(shù)、低介電損耗及鐵電、壓電及正溫度系數(shù)效應(yīng)等優(yōu)異的電學(xué)性能，是制備高介電、鐵電、壓電等材料的理想材料。迄今，關(guān)于鈦酸鋇泡沫陶瓷及其制備方法尚未見諸報(bào)道。鑒于鈦酸鋇陶瓷的性能優(yōu)勢及其主要應(yīng)用領(lǐng)域，化學(xué)組成單一的純凈鈦酸鋇泡沫陶瓷才能發(fā)揮其性能優(yōu)勢，滿足應(yīng)用要求。顯然，這將導(dǎo)致出現(xiàn)強(qiáng)度低的問題。因此，如何制備具有高強(qiáng)度且化學(xué)組成單一的純凈鈦酸鋇泡沫陶瓷是擺在研究者面前的一個(gè)富有挑戰(zhàn)性意義的課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種具有高強(qiáng)度、高介電常數(shù)骨架、且化學(xué)組成單一的純凈鈦酸鋇泡沫陶瓷及其制備方法。
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種鈦酸鋇泡沫陶瓷的制備方法，包含如下步驟: (1)按質(zhì)量計(jì)，將100份納米鈦酸鋇與30?120份濃度為I?15wt%的有機(jī)粘結(jié)劑水溶液充分研磨，得到漿料A;在漿料A中加入10?80份濃度為0.5?3wt%的有機(jī)流變劑水溶液，充分研磨后得到漿料B;在漿料B中加入20?80份濃度為0.5?3wt%的有機(jī)分散劑水溶液，充分研磨后得到漿料C;
(2)將規(guī)格為15?35PPI的聚合物海綿浸漬在濃度為5?20wt%的氫氧化鈉水溶液中，升溫至50?75°C并保溫2?6h后，取出聚合物海綿，用去離子水洗滌、甩干，得到聚合物海綿D;在常溫下，將聚合物海綿D浸漬在濃度為0.5?3的％的表面活性劑水溶液中，停留2?6h后，取出甩干，在溫度40?80°C的條件下干燥，得到預(yù)處理的聚合物海綿E;
(3)將預(yù)處理的聚合物海綿E浸漬在步驟(I)制得的漿料C中，在常溫下放置I?1min進(jìn)行掛漿處理，擠壓排除多余的漿料后，在溫度為40?80°C的條件下進(jìn)行干燥處理;依次重復(fù)掛漿、干燥處理I?7次，得到鈦酸鋇泡沫陶瓷生坯；
(4)將步驟(3)制得的鈦酸鋇泡沫陶瓷生坯以0.5?5°C/min的速率由室溫升溫至100?300°C，再以0.5?5°C/min的速率升溫至500?700°C，在溫度為500?700°C的條件下保溫0.5?211后，以2?10°(3/1^11的速率升溫至1000?1500°(3，在溫度為1000?1500°(3的條件下保溫I?5h后，隨爐冷卻至室溫，得到一種鈦酸鋇泡沫陶瓷。
[0008]本發(fā)明所述聚合物海綿的聚合物材質(zhì)為聚氨酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯中的任意一種。
[0009]所述的納米鈦酸鋇的平均粒徑< lOOnm。
[0010]所述的有機(jī)粘結(jié)劑為聚乙烯醇、羧甲基纖維素、甲基纖維素中的一種，或它們的任意組合。
[0011]所述的有機(jī)流變劑為羧甲基纖維素、羥己基纖維素中的一種，或它們的任意組合。
[0012]所述的有機(jī)分散劑為聚乙烯亞胺、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸胺中的一種，或它們的任意組合。
[0013]所述的表面活性劑為羧甲基纖維素、聚乙烯亞胺中的一種，或它們的任意組合。
[0014]本發(fā)明技術(shù)方案還包括按上述制備方法得到的鈦酸鋇泡沫陶瓷。
[0015]本發(fā)明采用納米鈦酸鋇作為漿料的無機(jī)陶瓷成分，充分利用了材料的納米效應(yīng)，所制得的鈦酸鋇泡沫陶瓷具有高強(qiáng)度，其原理具體而言:首先，納米級(jí)陶瓷晶粒缺陷多、比表面積大，因此燒結(jié)活性大，制成的陶瓷強(qiáng)度高;其次，納米級(jí)晶粒還能妨礙微裂紋的發(fā)展，不易造成穿晶斷裂，有利于提高斷裂韌性、耐磨性和強(qiáng)度;第三，納米級(jí)顆粒能形成分散均勻的漿料，坯體致密，也不易造成堵孔。特別是，為制得化學(xué)組成單一的純凈泡沫陶瓷，本發(fā)明采用有機(jī)助劑;而有機(jī)助劑高溫分解后產(chǎn)生的是小孔，因此采用納米鈦酸鋇能提高泡沫陶瓷骨架的致密性;第四，納米顆粒可以使燒結(jié)體的密度提高。
[0016]同時(shí)，本發(fā)明選用具有高介電常數(shù)的納米鈦酸鋇作為原料，其他有機(jī)助劑在燒結(jié)過程中分解，而鈦酸鋇進(jìn)一步瓷化，表現(xiàn)出更高的介電常數(shù)，因此，得的鈦酸鋇泡沫陶瓷是一種具有高介電常數(shù)的骨架。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明取得的有益效果是:
1、本發(fā)明所制備的鈦酸鋇泡沫陶瓷是一種具有化學(xué)組成單一的純凈鈦酸鋇骨架的泡沫陶瓷，這是因?yàn)樵谥苽溥^程中沒有添加或者“就地”生成其他無機(jī)材料，而是采用有機(jī)助劑，其在高溫?zé)Y(jié)過程中分解，從而得到一種高強(qiáng)度、高介電常數(shù)骨架、且具有化學(xué)組成單一的純凈鈦酸鋇泡沫陶瓷。
[0018]2、不同于現(xiàn)有技術(shù)中的漿料以微米級(jí)陶瓷原料及無機(jī)助劑為組成，本發(fā)明采用納米鈦酸鋇作為漿料的無機(jī)陶瓷成分且使用有機(jī)助劑。因此，本發(fā)明不需要使用球磨機(jī)進(jìn)行長時(shí)間研磨，而只需通過簡單的研磨即可得到分散均勻、流動(dòng)性良好的漿料，具有高效率、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。
[0019]3、本發(fā)明所制備的鈦酸鋇泡沫陶瓷集成了鈦酸鋇優(yōu)異的介電性能以及泡沫陶瓷高孔隙率、低比重的特點(diǎn)，為鈦酸鋇泡沫陶瓷的進(jìn)一步改性與應(yīng)用、新型介電泡沫陶瓷的研發(fā)、鈦酸鋇泡沫陶瓷/聚合物復(fù)合材料高性能化等方面提供巨大的應(yīng)用前景。
[0020]4、本發(fā)明提供的鈦酸鋇泡沫陶瓷的制備方法具有工藝簡單、適用性廣等特點(diǎn)，適合于工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1制備的聚氨酯海綿E、鈦酸鋇泡沫陶瓷生坯及鈦酸鋇泡沫陶瓷和實(shí)施例2制備的鈦酸鋇泡沫陶瓷的體視顯微鏡照片。
[0022]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1、3、4和5中鈦酸鋇泡沫陶瓷的X射線衍射圖。
[0023]圖3是本發(fā)明實(shí)施例5提供的鈦酸鋇泡沫陶瓷的掃描電鏡照片(放大I千倍)。
[0024]圖4是本發(fā)明比較例I制備的鈦酸鋇泡沫陶瓷/氰酸酯樹脂復(fù)合材料和比較例2制備的鈦酸鋇陶瓷/氰酸酯樹脂復(fù)合材料的介電常數(shù)隨頻率變化圖。
[0025]圖5是本發(fā)明實(shí)施例5、6和7制備的鈦酸鋇泡沫陶瓷的抗壓強(qiáng)度。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖、實(shí)施例和比較例，對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步的描述。
[0027]實(shí)施例1 I)漿料的配制
將20g鈦酸鋇(平均粒徑10nm)與1g濃度為10wt%的聚乙稀醇水溶液充分研磨，得到漿料A;在漿料A中加入5g濃度為2wt%的羧甲基纖維素水溶液，充分研磨后得到漿料B;在漿料B中加入1g濃度為lwt%的聚丙烯酰胺水溶液，充分研磨后得到漿料C。
[0028]2)聚氨酯海綿的處理
將規(guī)格為25 PPI的聚氨酯海綿浸漬在濃度為15wt%的氫氧化鈉水溶液中，升溫至60°C并保溫3.5h;而后將聚氨酯海綿取出，用去離子水洗滌數(shù)次，甩干后得到聚氨酯海綿D;在常