高強度塊狀多孔鎂鋁尖晶石納米陶瓷的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種高強度塊狀多孔鎂鋁尖晶石納米陶瓷的制備方法，其特征在于采用以下步驟：（1）把鋁鹽、鎂鹽和有機絡合劑溶解到蒸餾水中制成溶液；然后加熱到60℃并攪拌以制成溶膠；把木質纖維素浸入到溶膠中，浸泡3分鐘后再進行抽濾、分離。干燥后在馬弗爐中煅燒，可制得一種黑色粉體；（2）把黑色粉體放入到過碳酸鈉溶液中，并加熱到95℃保持8-10小時，可制得一種含有氧化鋁、氫氧化鎂，氫氧化鋁和勃姆石的復合納米粉體。用蒸餾水對粉體進行抽濾、洗滌5次，然后干燥；（3）用復合納米粉體為原料，經(jīng)球磨、造粒、壓制成型、燒結等工序，即制得多孔鎂鋁尖晶石納米陶瓷。本發(fā)明所制備的納米陶瓷的氣孔率在49.5%時，三點法測得彎曲強度是97.7MPa。
【專利說明】高強度塊狀多孔鎂鋁尖晶石納米陶瓷的制備方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明提供一種顯微結構均勻、強度高的多孔鎂鋁尖晶石納米陶瓷的制備方法，屬于納米陶瓷制備【技術領域】。

【背景技術】
[0002]多孔鎂鋁尖晶石(MgAl2O4)納米陶瓷是一種鎂鋁尖晶石晶粒(和氣孔孔徑)小于100nm的多孔陶瓷材料。因顆粒屬于納米級別，多孔鎂鋁尖晶石納米陶瓷具有比表面積大、活性高、力學性能優(yōu)良、燒結溫度和能耗低等優(yōu)點，可應用于催化劑及催化劑載體，有毒物質的吸附劑，薄膜支撐體等。但是，納米粉體會因比表面積大而產(chǎn)生較嚴重的硬團聚，而硬團聚會導致粉體的比表面積、活性和成型性能明顯降低，因此用納米粉體制備的多孔納米陶瓷往往存在顯微結構(顆粒粒徑、氣孔孔徑分布等)不均勻，力學性能較差等缺點，嚴重影響了納米多孔陶瓷的生產(chǎn)和應用。所以，從事該領域研究的科技人員正在積極探索制備顯微結構均勻、力學性能優(yōu)良的多孔納米陶瓷的生產(chǎn)技術和工藝，以實現(xiàn)多孔納米陶瓷的工業(yè)化生產(chǎn)。相關研究表明，制備具有均勻顯微結構、優(yōu)良力學性能的納米陶瓷的關鍵在于合成分散性好、活性高的納米粉體或其前驅體，且納米陶瓷的常壓燒結溫度要低，否則晶粒會長大，甚至出現(xiàn)少數(shù)晶粒異常長大的現(xiàn)象。制備納米鎂鋁尖晶石粉體的物理化學方法很多，如溶膠-凝膠，水熱合成，均勻沉淀，氣相沉積，燃燒法等，但上述工藝或者過程較復雜，操作要求較嚴格，成本較高，難以用于規(guī)?；苽涠嗫祖V鋁尖晶石納米陶瓷，或者制備的鎂鋁尖晶石納米粉體具有一定的硬團聚，燒結活性較低，難以滿足大氣氣氛下低溫燒結的要求，不能完全適用于多孔納米陶瓷的制備。


【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種能克服上述缺陷、工藝簡單、操作安全、成本較低、可規(guī)?；a(chǎn)的、顯微結構均勻，力學性能優(yōu)良的多孔鎂鋁尖晶石納米陶瓷的制備方法，其技術方案為:
一種高強度塊狀多孔鎂鋁尖晶石納米陶瓷的制備方法，其特征在于采用以下步驟:
(I)把鋁鹽、鎂鹽和有機絡合劑溶解到蒸餾水中制成溶液；然后加熱到60°C并攪拌4-6小時制成溶膠；把木質纖維素浸入到上述溶膠中，浸泡3分鐘后再進行抽濾、分離。把吸附了溶膠的木質纖維素在50 °C下干燥24小時，然后在馬弗爐中加熱到300-500 °C保溫10分鐘煅燒，可制得一種黑色粉體。(2)把黑色粉體放入到過碳酸鈉溶液(2Na2C03.3Η202)中，然后加熱到95 °C，并保持8-10小時，即可制得一種含有氧化鋁(Α1203)、氫氧化鎂(Mg (OH)2),氫氧化鋁(Al (OH)3)和勃姆石(Υ-Α100Η)的復合納米粉體。用蒸餾水對制備的粉體進行抽濾、洗滌5次，以除去殘留的過碳酸鈉，然后在50-70 °C下干燥24-48小時。(3)用制備的氧化鋁、氫氧化鎂，氫氧化鋁和勃姆石的復合納米粉體為原料，經(jīng)球磨、造粒、壓制成型、燒結等工序，即制得顯微結構均勻的多孔鎂鋁尖晶石納米陶瓷。
[0004]所述的高強度塊狀多孔鎂鋁尖晶石納米陶瓷的制備方法，步驟(1)中的鋁鹽為氯化鋁，硝酸鋁，硫酸鋁中的一種；鎂鹽為硝酸鎂，氯化鎂和硫酸鎂中的一種，有機絡合劑為甘氨酸，尿素，水溶性淀粉中的一種。
[0005]所述的高強度塊狀多孔鎂鋁尖晶石納米陶瓷的制備方法，步驟(1)中所述的溶液中的Al3+的濃度為0.5-2.0 mol/L，Mg2+濃度是Al3+濃度的0.5倍，尿素，甘氨酸，水溶性淀粉(按單體計算)的濃度為1.5-5.0 mol/L。
[0006]所述的高強度塊狀多孔鎂鋁尖晶石納米陶瓷的制備方法，步驟(1)中把木質纖維素浸入到溶液中，并控制木質纖維素與溶膠的體積比為0.3。
[0007]所述的高強度塊狀多孔鎂鋁尖晶石納米陶瓷的制備方法，步驟(2)中所述的過碳酸鈉溶液的濃度為0.1-2.0 mol/L，黑色粉體加入到過碳酸鈉溶液的量為50-100 g/L。
[0008]所述的高強度塊狀多孔鎂鋁尖晶石納米陶瓷的制備方法，步驟(3)中的壓制成型是指對粉體進行干壓成型，成型壓力為10-50 MPa。
[0009]所述的高強度塊狀多孔鎂鋁尖晶石納米陶瓷的制備方法，步驟(3)中的燒結是指將成型后的坯體在大氣氣氛下于900-1000 °C保溫2小時燒結。
[0010]本發(fā)明的工作原理是:把含Al3+和Mg2+的溶膠浸入到纖維素中，使得離子以分子水平均勻分布到木質纖維素中；把吸附了溶膠的纖維素加熱到300-500 V,以使纖維素炭化，并生成納米氧化鋁和氧化鎂。由于炭化前后的纖維素起著支撐和分散作用，能有效降低納米粉體的團聚程度。用過碳酸鈉進行處理，一是通過氧化還原反應除去炭化纖維素；二是在堿性條件下使部分氧化鋁和氧化鎂轉換成納米氫氧化鎂，氫氧化鋁和勃姆石。相對于鎂鋁尖晶石而言，氫氧化鎂，氫氧化鋁和勃姆石的燒結活性更高，故在大氣氣氛下通過低溫燒結可制備出具有均勻顯微結構和優(yōu)良力學性能的多孔鎂鋁尖晶石納米陶瓷。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點:
1、本發(fā)明制備的塊狀多孔鎂鋁尖晶石納米陶瓷的顯微結構均勻(參考附圖1)，未發(fā)現(xiàn)因團聚而造成的顯微結構不均勻的現(xiàn)象。鎂鋁尖晶石晶粒粒徑在20~40 nm范圍內，氣孔孔徑在15-1OOnm范圍內；
2、本發(fā)明制備的多孔鎂鋁尖晶石納米陶瓷具有優(yōu)良的力學性能，當開氣孔率在50%左右時，三點法彎曲強度可達到97.7 MPa ；
3、本發(fā)明所述的高強度塊狀多孔鎂鋁尖晶石納米陶瓷的制備工藝簡單，無需復雜的設備，便于操作，重復性好，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
[0012]

【專利附圖】

【附圖說明】
圖1是1000 1:燒結的塊狀多孔鎂鋁尖晶石納米陶瓷斷面的SEM圖。
[0013]【具體實施方式】實施例1
把氯化鋁、氯化鎂和甘氨酸溶解到蒸餾水中配制成溶液，并控制溶液中Al3+，Mg2+和甘氨酸的濃度分別是0.5 mol/L, 0.25 mol/L和2.5 mol/L ;然后把溶液用磁力攪拌器加熱到60 °C并攪拌6小時制成溶膠；按木質纖維素與溶膠的體積比為0.3的比例把木質纖維素浸入到上述溶膠中，浸泡3分鐘后進行抽濾、分離。把吸附了溶膠的木質纖維素在50 V下干燥24小時，然后在馬弗爐中加熱到300°C保溫10分鐘煅燒，冷卻后可制得一種黑色粉體。把黑色粉體放入到0.5 mol/L的過碳酸鈉溶液中，每IL的過碳酸鈉溶液中，可加入100 g的黑色粉體；然后加熱到95 °C，并保持8小時，黑色粉體轉換為白色粉體，用蒸餾水對制備的白色粉體進行抽濾、洗滌3次，以除去殘留的過碳酸鈉，然后在50°C下干燥48小時。用XRD測定該粉體的晶相組成是氧化鋁，氫氧化鎂，氫氧化鋁和勃姆石。對制備的氧化鋁，氫氧化鎂，氫氧化鋁和勃姆石的復合納米粉進行球磨、造粒后，用30 MPa壓力進行干壓成型，然后在900 °C下保溫2小時燒結，隨爐冷卻后即可制得多孔鎂鋁尖晶石納米陶瓷。用阿基米德法測得多孔陶瓷的開氣孔率約為49.5%，用萬能試驗機測得多孔陶瓷的抗折強度(彎曲強度)是97.7 MPa。用SEM可觀察到多孔陶瓷中鎂鋁尖晶石晶粒的尺寸為20 nm左右，且顯微結構均勻，沒有發(fā)現(xiàn)因團聚而造成的顯微結構不均勻的現(xiàn)象；用壓汞儀測定氣孔的孔徑分布范圍是15-92.1 nm，其中最可幾孔徑約為20 nm和91 nm。
[0014]實施例2
把硝酸鋁，硝酸鋁和尿素酸溶解到蒸餾水中配制成溶液，并控制溶液中Al3+，Mg2+和尿素的濃度分別是1.5 mol/L, 0.75 mol/L和5.0 mol/L ;然后把溶液用磁力攪拌器加熱到60 °C并攪拌4小時制成溶膠；按木質纖維素與溶膠的體積比為0.3的比例把木質纖維素浸入到上述溶膠中，浸泡3分鐘后進行抽濾、分離，得到吸附了溶膠的木質纖維素。把吸附了溶膠的木質纖維素在50 °C下干燥24小時，然后在馬弗爐中加熱到400°C保溫10分鐘煅燒，冷卻后可制得一種黑色粉體。把黑色粉體放入到1.0 mol/L的過碳酸鈉溶液中，其中每IL的過碳酸鈉溶液中，可加入50 g的黑色粉體；然后加熱到95 °C，并保持8小時，黑色粉體轉換為白色粉體。用蒸餾水對制備的白色粉體進行抽濾、洗滌5次，以除去殘留的過碳酸鈉，然后在50°C下干燥48小時。用XRD測定該粉體的晶相組成是氧化鋁，氫氧化鎂，氫氧化鋁和勃姆石。對制備的氧化鋁，氫氧化鎂，氫氧化鋁和勃姆石的復合納米粉進行球磨、造粒后，用15 MPa壓力進行干壓成型，然后在1000 °C下保溫2小時燒結，隨爐冷卻后即可制得多孔鎂鋁尖晶石納米陶瓷。用阿基米德法測得多孔陶瓷的開氣孔率約為52.3 %，用萬能試驗機測得多孔陶瓷的抗折強度(彎曲強度)是90.5 MPa。用SEM可觀察到多孔陶瓷中鎂鋁尖晶石晶粒的尺寸為40 nm左右，且顯微結構均勻，沒有發(fā)現(xiàn)因團聚而造成的顯微結構不均勻的現(xiàn)象；用壓汞儀測定氣孔的孔徑分布范圍是15-98 nm，其中最可幾孔徑約為26 nm和89 nm。
[0015]實施例3
把硫酸鋁、硫酸鎂和水溶性淀粉溶解到蒸餾水中配制成溶液，并控制溶液中Al3+，Mg2+和水溶性淀粉(按單體計算)的濃度分別是2.0 mol/L, 1.0 mol/L和5.0 mol/L ;然后把溶液用磁力攪拌器加熱到60 °C并攪拌5小時制成溶膠；按木質纖維素與溶液的體積比為
0.3的比例把木質纖維素浸入到溶膠中，浸泡3分鐘后進行抽濾、分離，得到吸附了溶膠的木質纖維素。把吸附了溶膠的木質纖維素在50 °C下干燥24小時，然后在馬弗爐中加熱到500°C保溫10分鐘煅燒，冷卻后可制得一種黑色粉體。把黑色粉體放入到2.0 mol/L的過碳酸鈉溶液中，其中每IL的過碳酸鈉溶液中，可加入75 g的黑色粉體；然后加熱到95 V,并保持8小時，黑色粉體轉換為白色粉體，用蒸餾水對制備的白色粉體進行抽濾、洗滌5次，以除去殘留的過碳酸鈉，然后在50°C下干燥48小時。用XRD測定該粉體的晶相組成是氧化鋁，氫氧化鎂，氫氧化鋁和勃姆石。對制備的氧化鋁，氫氧化鎂，氫氧化鋁和勃姆石的復合納米粉進行球磨、造粒后，用30 MPa壓力進行干壓成型，然后在900 °C下保溫2小時燒結，隨爐冷卻后即可制得多孔鎂鋁尖晶石納米陶瓷。用阿基米德法測得多孔陶瓷的開氣孔率約為50.7 %，用萬能試驗機測得多孔陶瓷的抗折強度(彎曲強度)是93.2 MPa。用SEM可觀察到多孔陶瓷中鎂鋁尖晶石晶粒的尺寸為27 nm左右，且顯微結構均勻，沒有發(fā)現(xiàn)因團聚而造成的顯微結構不均勻的現(xiàn)象；用壓汞儀測定氣孔的孔徑分布范圍是15-95 nm，其中最可幾孔徑約為2 3 nm和82 nm。
【權利要求】
1.一種高強度塊狀多孔鎂鋁尖晶石納米陶瓷的制備方法，其特征在于采用以下步驟:(I)把鋁鹽、鎂鹽和有機絡合劑溶解到蒸餾水中制成溶液；然后加熱到60°C并攪拌4-6小時制成溶膠；把木質纖維素浸入到上述溶膠中，浸泡3分鐘后再進行抽濾、分離；把吸附了溶膠的木質纖維素在50 °C下干燥24小時，然后在馬弗爐中加熱到300-500 °C保溫10分鐘煅燒，可制得一種黑色粉體；(2)把黑色粉體放入到過碳酸鈉溶液(2Na2C03.3Η202)中，然后加熱到95 °C，并保持8-10小時，即可制得一種含有氧化鋁(Α1203)、氫氧化鎂(Mg (OH)2),氫氧化鋁(Al (OH)3)和勃姆石(Υ-Α100Η)的復合納米粉體；用蒸餾水對制備的粉體進行抽濾、洗滌5次，以除去殘留的過碳酸鈉，然后在50-70 °C下干燥24-48小時；(3)用制備的氧化鋁、氫氧化鎂，氫氧化鋁和勃姆石的復合納米粉體為原料，經(jīng)球磨、造粒、壓制成型、燒結等工序，即制得顯微結構均勻的多孔鎂鋁尖晶石納米陶瓷。
2.權利要求1所述的一種高強度塊狀多孔鎂鋁尖晶石納米陶瓷的制備方法，其特征在于:步驟(1)中的鋁鹽為氯化鋁，硝酸鋁，硫酸鋁中的一種；鎂鹽為硝酸鎂，氯化鎂和硫酸鎂中的一種，有機絡合劑為甘氨酸，尿素，水溶性淀粉中的一種。
3.權利要求1所述的一種高強度塊狀多孔鎂鋁尖晶石納米陶瓷的制備方法，其特征在于:步驟(1)中所述的溶液中的Al3+的濃度為0.5-2.0 mol/L, Mg2+濃度是Al3+濃度的0.5倍，尿素，甘氨酸，水溶性淀粉(按單體計算)的濃度為1.5-5.0 mol/L。
4.權利要求1所述的一種高強度塊狀多孔鎂鋁尖晶石納米陶瓷的制備方法，其特征在于:步驟(1)中把木質纖維素浸入到溶膠中，并控制木質纖維素與溶膠的體積比為0.3。
5.權利要求1所述的一種高強度塊狀多孔鎂鋁尖晶石納米陶瓷的制備方法，其特征在于:步驟(2)中所述的過碳酸鈉溶液的濃度為0.1-2.0 mol/L，黑色粉體加入到過碳酸鈉溶液的量為50-100 g/L。
6.權利要求1所述的一種高強度塊狀多孔鎂鋁尖晶石納米陶瓷的制備方法，其特征在于:步驟(3)中的壓制成型是指對粉體進行干壓成型，成型壓力為10-50 MPa。
7.權利要求1所述的高強度塊狀多孔鎂鋁尖晶石納米陶瓷的制備方法，其特征在于:步驟(3)中的燒結是指將成型后的坯體于大氣氣氛下在900-1000 °C保溫2小時燒結。
【文檔編號】B82Y30/00GK104129983SQ201410319317
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月7日 優(yōu)先權日:2014年7月7日
【發(fā)明者】白佳海, 唐鈺棟 申請人:山東理工大學