多孔陶瓷材料的制备方法和多孔陶瓷材料及其应用与流程

本发明涉及陶瓷材料制备领域，特别是涉及一种多孔陶瓷材料的制备方法和多孔陶瓷材料及其应用。

背景技术：

陶瓷材料为用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料，其用途非常广泛。

目前工业上常用的多孔陶瓷材料的制备方法主要有添加造孔剂法、有机泡沫浸渍法、发泡法、注射成型法、颗粒堆积法等。但以上制备方法均有其局限性，比如添加造孔剂法制得的多孔陶瓷材料的孔分布均匀性差，力学性能差，生产效率低；有机泡沫浸渍法得到的制品形状密度不易控制；发泡法对原料要求较高，工艺条件不易控制；颗粒堆积法的获得的制品气孔率较低。因此，如何制备孔隙率高、孔径可控、力学性能良好的多孔陶瓷材料是急需解决的问题。

电子烟作为一种用于戒烟或替代香烟的电子产品，模仿了传统香烟外观，且其中储存的烟液在加热雾化时，不产生香烟中的焦油、悬浮颗粒等其他有害成分，也不会带来二次吸烟的危害或燃烧烟头处理不当容易引起火灾的问题。电子烟雾化器是电子烟中储存烟液及产生烟雾的主要部件。但是目前常见的电子烟雾化器，采用多种组件构成、结构复杂，生产工艺复杂且使用寿命低。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种得到孔隙率高、孔径可控、力学性能良好的多孔陶瓷材料的制备方法和多孔陶瓷材料。

还有必要提供一种孔隙率高、孔径可控、力学性能良好的多孔陶瓷材料。

还有必要提供一种生产效率高、使用时间长的电子烟雾化器。

一种多孔陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

将硅酸盐原料和造孔剂混合，得到预混料，其中所述硅酸盐原料包括硅酸 钠和其他化合物，其他化合物为氧化物、氮化物、碳化物中的至少一种，按质量百分比计，硅酸钠为20％～40％、其他化合物为45％～75％，造孔剂为3％～20％；

将所述预混料干燥，得到硅酸盐骨料；

将所述硅酸盐骨料与所述粘结剂进行混炼，得到注射原料，其中，按质量百分比计，硅酸盐骨料为50％～60％、粘结剂为40％～50％；

将所述注射原料进行注射成型得到素坯；及

将所述素坯依次进行脱胶处理、煅烧处理，得到所述多孔陶瓷材料。

上述多孔陶瓷材料的制备方法，将添加造孔剂法与注射成型法相结合，制备的多孔陶瓷材料孔隙率高、孔径可控且具有良好的力学性能，由于采用注射成型工艺，相比于采用干压成型工艺，生产效率得到明显提高，适合规模化生产。

在其中一个实施例中，所述造孔剂为木屑、淀粉、石墨中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述预混料干燥的条件为：于70℃～110℃干燥200min～400min。

在其中一个实施例中，按质量百分比计，所述粘结剂包括：60％～80％的石蜡、5％～15％的聚丙烯、5％～15％的硬脂酸和5％～15％的邻苯二甲酸二丁酯。

在其中一个实施例中，所述硅酸盐骨料与所述粘结剂进行混炼的条件为：于180℃～220℃混炼3h～5h。

在其中一个实施例中，所述注射原料的注射成型条件为：注射温度为100℃～160℃；注射压力为50MPa～140MPa；保压压力为10MPa～30MPa。

在其中一个实施例中，所述素坯的脱胶处理的条件为：于200℃～800℃下保温3h～10h。

在其中一个实施例中，所述素坯的煅烧处理的条件为：于800℃～1600℃下保温1h～4h。

一种多孔陶瓷材料，采用上述的多孔陶瓷材料的制备方法制得。

上述的多孔陶瓷材料在电子烟雾化器中的应用。

附图说明

图1为一实施方式的多孔陶瓷材料的制备方法的流程图；

图2为一实施方式的电子烟雾化器的分解结构示意图；

图3为图2所示的电子烟雾化器的剖面结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

参阅图1，一实施方式的多孔陶瓷制备方法，包括以下步骤：

步骤S100：提供原料。

原料包括硅酸盐原料、造孔剂和粘结剂，硅酸盐原料包括硅酸钠和其他化合物，其他化合物为氧化物、氮化物、碳化物中的至少一种。采用资源丰富且无污染的无机硅酸盐材料作为多孔陶瓷材料的骨料，烧结的条件较为温和，可实现在较低温度、空气气氛及常压下烧结。

特别地，氧化物包括氧化铝、氧化锆、二氧化硅、氧化铁、氧化钠、氧化钾、氧化钙和氧化镁等。

特别地，氮化物包括氮化硅等。

特别地，碳化物包括碳化硅、碳化硼等。

特别地，将其他化合物粉碎至粒径为60μm～250μm。优选的，将其他化合物研磨过筛。具体的，将其他化合物研磨过筛过60目、200目等规格的标准筛。

其中，硅酸钠作为原料的同时，还具有助熔剂的作用。作为原料的硅酸钠同时用作助熔剂可以有效的降低烧结温度，并在高温产生具有粘结作用的玻璃相，提高多孔陶瓷基体的强度。特别地，硅酸钠可由无水硅酸钠、九水合硅酸钠(Na₂SiO₃·9H₂O)或模数为1.5～3.5的硅酸钠提供。其中，模数是水玻璃(主要成分硅酸钠)中二氧化硅与氧化钠的物质的量之比。优选的，硅酸钠由模数为2.6～2.8的硅酸钠提供。

步骤S200：将硅酸盐原料和造孔剂混合，得到预混料。

步骤S200的具体步骤为：在其他化合物中依次加入造孔剂、助熔剂混合得到预混料。特别地，硅酸钠以水溶液的形式加入，因此得到的预混料为湿料。

特别地，按质量百分比计，将20％～40％的硅酸钠，45％～75％的其他化合物，3％～20％的造孔剂混合，得到预混料。

特别地，硅酸盐原料和造孔剂混合的时间为0.5h～2h。

优选地，将硅酸盐原料、造孔剂混合时采用滚筒球磨机或行星球磨机干混。可以理解，还可采用其他方式混合，只要保证几种材料混合均匀即可，如使用搅拌机或捏合机搅拌干混。

特别地，造孔剂为木屑、淀粉、石墨中的至少一种。采用木屑、淀粉、蔗糖、木纤维及短碳纤维这种大粒径的复杂有机物或无机物作为造孔剂，可以根据需求控制最终形成的多孔陶瓷材料的孔径及孔隙率，得到适于储存、传导液体和产生烟雾的连通孔结构。

特别地，造孔剂的粒径为10μm～800μm。

优选的，采用具有不同形状及结构的造孔剂，得到多孔陶瓷材料的连通孔形状。例如：采用具有长条状的木屑做造孔剂时，得到的多孔陶瓷材料的孔结构具有大量的纤维状结构；采用球形的淀粉做造孔剂时，得到的多孔陶瓷材料的孔结构多为椭球型。

优选的，控制造孔剂的粒度则可以控制多孔陶瓷材料的孔结构大小。

优选的，控制造孔剂的加入量，可控制多孔陶瓷材料的孔结构的数量及分布密度。因此通过调节造孔剂的种类、粒度、掺入量，可制备不同的多孔陶瓷材料，以满足不同产品的需求。

步骤S300：将预混料干燥，得到硅酸盐骨料。

预混料干燥的条件为：于70℃～110℃干燥200min～400min。

优选地，预混料的干燥在干燥箱中进行。

步骤S400：将硅酸盐骨料与粘结剂进行混炼，得到注射原料。

特别地，按质量百分比计，将50％～60％的硅酸盐骨料与40％～50％的粘结剂 进行混炼，得到注射原料。

特别地，按质量百分比计，粘结剂包括：60％～80％的石蜡(PW)、5％～15％的聚丙烯(PP)、5％～15％的硬脂酸(SA)和5％～15％的邻苯二甲酸二丁酯(DBP)。步骤S400具体为：在180℃～220℃下，将PP完全融化后，冷却至170℃～190℃，加入硅酸盐骨料、石蜡，混合0.5h～1h，继续加入硬脂酸、DBP，混合1h～2h。

特别地，混炼的条件为于180℃～220℃混炼3h～5h。

特别地，混炼采用混炼机进行。

步骤S500：将注射原料进行注射成型得到素坯。

优选地，在步骤S500之前，将注射原料经冷却、切粒待用。

更优选的，注射原料的冷却采用自然冷却。更优选的，将注射原料切粒至粒径小于5mm。

特别地，采用破碎设备进行切粒。优选地，切粒工艺采用颚式破碎设备、辊式破碎设备或锤式破碎设备等机械进行破碎。当然，还可以采用其他机械破碎，只要保证破碎后原料的粒径要求即可，比如使用冲击式破碎设备、圆锥式破碎设备、旋回式破碎设备等。

优选的，注射原料的注射成型条件为：注射温度为100℃～160℃；注射压力为50MPa～140MPa；保压压力为10MPa～30MPa。可以理解，注射工艺参数随原料配比的不同可有所调整。

优选的，注射原料的注射成型在注射成型机进行，将注射原料加入注射成型机的料斗中，设定相应的注射工艺参数，进行注射成型得到素坯。

采用注射成型工艺制备多孔陶瓷材料，可一次成型多个素坯，既能保证产品收缩率较小，又提高了生产效率，适合大规模的工业生产。

步骤S600：将素坯依次进行脱胶处理、煅烧处理，得到多孔陶瓷材料。

优选的，素坯的脱胶处理的条件为：于200℃～800℃下保温3h～10h。更优选的，将素坯以1℃/min～10℃/min的升温速率升温至200℃～800℃。

特别地，素坯的脱胶处理分不同温度阶段进行，在不同温度阶段发生不同 的物理化学反应。具体地，不同温度阶段发生的物理化学反应包括结合水的脱去、结构水的脱去、造孔剂的脱去、粘结剂的脱胶。特别地，每个温度阶段的保温时间为0.5h～2h。

优选的，素坯的煅烧处理的条件为：于800℃～1600℃下保温1h～4h。更优选的，将素坯以0.5℃/min～5℃/min的升温速率升温至800℃～1600℃。

特别地，在步骤S600之后，还包括步骤：将多孔陶瓷材料自然冷却。

上述多孔陶瓷材料的制备方法，将添加造孔剂法与注射成型法相结合，制备的多孔陶瓷材料孔隙率高、孔径可控且具有良好的力学性能，由于采用注射成型工艺，相比于采用干压成型工艺，生产效率得到明显提高，适合规模化生产。

一实施方式的多孔陶瓷材料，采用上述多孔陶瓷的制备方法制备得到。

特别地，多孔陶瓷材料的孔隙率为35％～70％，孔径为200nm～2μm。

上述多孔陶瓷材料在在电子烟雾化器中的应用。

电子烟雾化器中需要储存烟液且每次使部分烟液雾化，导致电子烟雾化器的结构较为复杂，生产工艺复杂。用于电子烟雾化器的组分合理、、具有较高孔隙率和一定强度的多孔陶瓷材料的制备方法。

特别地，在电子烟雾化器中采用多孔陶瓷材料储存烟液。上述多孔陶瓷材料生产工艺简单、烧结温度低，且具有较高的孔隙率和良好的力学强度，用于储存烟液，能够很好的控制发烟量，故而简化了电子烟雾化器的结构，使电子烟雾化器结构简单，生产工艺简便，性能良好。

参阅图2，一实施方式的电子烟雾化器200，包括储液部210、吸液部220以及雾化部230，储液部210中储存烟液，吸液部220填充上述多孔陶瓷材料，储液部210和吸液部220连通，雾化部230和吸液部220的多孔陶瓷材料接触，从而使储液部210中的烟液进入吸液部220被多孔陶瓷材料吸收，雾化部230将多孔陶瓷材料吸收的烟液雾化。

参阅图2和图3，特别地，雾化部230设有第一通气孔231，雾化后的烟液通过第一通气孔231进入到电子烟雾化器200外部。

特别地，储液部210设有第二通气孔211，第二通气孔211与雾化部230的 第一通气孔231连通。特别地，电子烟雾化器200还包括烟嘴240，烟嘴240与储液部210连接，并与储液部210的第二通气孔211连通。

具体地，在本实施例中，雾化部230为发热丝，雾化部230发热时将多孔陶瓷材料吸收的烟液雾化。

进一步的，上述电子烟雾化器200还包括电接头250，电接头250与雾化部230连接，通过电接头250与电源等连接用于驱动雾化部230。

进一步的，上述电子烟雾化器200还包括外壳260，储液部210、吸液部220、雾化部230、烟嘴240以及电接头250均设于外壳260内。

电子烟雾化器200的吸液部220采用上述多孔陶瓷材料从储液部210吸收烟液，由于上述多孔陶瓷材料的良好的力学强度、较高的孔隙率，使吸液部220既能达到储存烟液的目的，又能够很好的控制发烟量，故而简化了电子烟雾化器的结构，上述电子烟雾化器200结构简单，生产工艺简便，性能良好，使用寿命长。

以下为上述多孔陶瓷材料的制备方法的具体实施例。

本发明以下实施例制备的多孔陶瓷材料进行性能测试的方法为：阿基米德排水法测定多孔陶瓷材料的孔隙率；用电子万能试验机对多孔陶瓷材料的抗弯强度(GB/T 4741-1999)进行测试；使用BET比表面仪测定多孔陶瓷材料的平均孔径。

实施例1：

将氧化铝粉末研磨过80目筛后，取400g氧化铝粉，加入80目～100目的木屑60g，于球磨机中球磨搅拌混合30min，再加入模数为2.6的工业水玻璃(主要成分硅酸钠)230g，混合搅拌30min，得到预混料。

将预混料放于干燥箱中80℃干燥400min，得到干燥的硅酸盐骨料。

将混炼机预热至220℃，加入聚丙烯20g于混炼机中，至聚丙烯完全融化后，冷却至170℃，再加入硅酸盐骨料400g、石蜡300g，混料1h；继续加入硬脂酸40g、邻苯二甲酸二丁酯40g，混料2h，得到注射原料。

将注射原料冷却、采用鳄式破碎设备切粒。将切粒后的注射原料加入注射 成型机的料斗中，进行注射成型得到素坯，注射温度为135℃、注射压力140MPa、保压压力10MPa。素坯的尺寸最好能补充下。

将素坯放入高温常压电阻炉中，以5℃/min的升温速率升温至200℃，保温2h，再以同样速率升温至300℃，保温1h后升温至420℃，保温2h，再以2℃/min的速率升温至500℃保温1h，脱出结合水、结构水、造孔剂以及粘结剂。将样品再以2℃/min的速率升温至1400℃烧结1h，随炉冷却后得到所述多孔陶瓷材料。

将多孔陶瓷材料进行孔隙率、抗弯强度、平均孔径测量。在此条件下，多孔陶瓷材料的孔隙率为49.58％，抗弯强度为15.60Mpa，平均孔径为1.250μm。

实施例2：

将氧化锆研磨过60目筛后，取400g氧化锆，加入60目～80目的木屑80g，于球磨机中球磨搅拌混合40min，再加入模数为2.8的工业水玻璃160g，混合搅拌20min，得到预混料。

将预混料放于干燥箱中100℃干燥300min，得到干燥的硅酸盐骨料。

将混炼机预热至220℃，加入聚丙烯40g于混炼机中，至聚丙烯完全融化后，冷却至170℃，再加入硅酸盐骨料400g、石蜡280g，混料1h；继续加入硬脂酸40g、邻苯二甲酸二丁酯40g，混料2h，得到注射原料。

将注射原料冷却、切粒。将切粒后的注射原料加入料斗中，进行注射成型得到素坯，注射温度为140℃、注射压力120MPa、保压压力20MPa。

将素坯放入高温常压电阻炉中，以2℃/min的升温速率升温至200℃，保温2h，再以同样速率升温至300℃，保温1h后升温至420℃，保温2h，再以2℃/min的速率升温至500℃保温1h，脱出结合水、结构水、造孔剂以及粘结剂。将样品再以2℃/min的速率升温至1200℃烧结1h，随炉冷却后得到所述多孔陶瓷材料。将多孔陶瓷材料进行孔隙率、抗弯强度、平均孔径测量。在此条件下，多孔陶瓷材料的孔隙率为64.71％，抗弯强度为10.70Mpa，平均孔径为1.885μm。

实施例3：

将氮化硅粉研磨过100目筛后，取400g氮化硅粉，加入200目的石墨133g，于球磨机中球磨搅拌混合30min，再加入模数为1.5的工业水玻璃355g，混合搅拌30min，得到预混料。

将预混料放于干燥箱中110℃干燥300min，得到干燥的硅酸盐骨料。

将混炼机预热至220℃，加入聚丙烯20g于混炼机中，至聚丙烯完全融化后，冷却至170℃，再加入硅酸盐骨料400g、石蜡320g，混料1h；继续加入硬脂酸20g、邻苯二甲酸二丁酯40g，混料2h，得到注射原料。

将注射原料冷却、切粒。将切粒后的注射原料加入料斗中，进行注射成型得到素坯，注射温度为160℃、注射压力140MPa、保压压力30MPa。

将素坯放入高温常压电阻炉中，以4℃/min的升温速率升温至200℃，保温2h，再以2℃/min的升温速率升温至420℃，保温1h，再以2℃/min的速率升温至600℃保温1.5h，脱出结合水、结构水、石墨以及粘结剂；将样品再以2℃/min的速率升温至1600℃烧结4h，随炉冷却后得到所述多孔陶瓷材料。将多孔陶瓷材料进行孔隙率、抗弯强度、平均孔径测量。在此条件下，多孔陶瓷材料的孔隙率为36.95％，抗弯强度为19.60Mpa，平均孔径为270nm。

实施例4：

将硅藻土矿物原料研磨过150目筛，其中硅藻土矿物原料以质量分数计，含二氧化硅90％、氧化铝6％、氧化铁1％、氧化钠2.5％、其它0.5％。取400g硅藻土矿物原料，加入300目的淀粉40g，于球磨机中球磨搅拌混合30min，再加入模数为3.5的工业水玻璃200g，混合搅拌30min，得到预混料。

将预混料放于干燥箱中80℃干燥300min，得到干燥的硅酸盐骨料。

将混炼机预热至200℃，加入聚丙烯32于混炼机中，至聚丙烯完全融化后，冷却至170℃，再加入硅酸盐骨料400g、石蜡240g，混料1h；继续加入硬脂酸26g、邻苯二甲酸二丁酯22g，混料2h，得到注射原料。

将注射原料冷却、切粒。将切粒后的注射原料加入料斗中，进行注射成型得到素坯，注射温度为120℃、注射压力80MPa、保压压力10MPa。

将素坯放入高温常压电阻炉中，以2℃/min的升温速率升温至200℃，保温2h，再以同样速率升温至380℃，保温1h后升温至420℃，保温1h，再以2℃/min 的速率升温至500℃保温1h，脱出结合水、结构水、淀粉以及粘结剂；将样品再以2℃/min的速率升温至950℃烧结1h，随炉冷却后得到所述多孔陶瓷材料。将多孔陶瓷材料进行孔隙率、抗弯强度、平均孔径测量。在此条件下，多孔陶瓷材料的孔隙率为50.47％，抗弯强度为17.60Mpa，平均孔径为475nm。

实施例5：

将长石-高岭土混合矿物原料研磨过250目筛，其中长石-高岭土混合矿物原料以质量分数计，含二氧化硅65％、氧化铝28％、氧化铁0.5％、氧化钠5％、其它1.5％。取400g长石-高岭土混合矿物原料，加入300目的淀粉12g，于球磨机中球磨搅拌混合30min，再加入模数为2.5的工业水玻璃85g，混合搅拌30min，得到预混料。

将预混料放于干燥箱中80℃干燥300min，得到干燥的硅酸盐骨料。

将混炼机预热至180℃，加入聚丙烯40g于混炼机中，至聚丙烯完全融化后，冷却至170℃，再加入干燥原料400g、石蜡160g，混料1h，加入硬脂酸40g、邻苯二甲酸二丁酯27g，混料2h，得到注射原料。

将注射原料冷却、切粒。将切粒后的注射原料加入料斗中，进行注射成型得到素坯，注射温度为100℃、注射压力50MPa、保压压力10MPa。

将素坯放入高温常压电阻炉中，以2℃/min的升温速率升温至200℃，保温2h，再以同样速率升温至380℃，保温40min后升温至420℃，保温1h，再以2℃/min的速率升温至500℃保温40min，脱出结合水、结构水、淀粉以及粘结剂；将样品再以2℃/min的速率升温至800℃烧结2h，，随炉冷却后得到所述多孔陶瓷材料。将多孔陶瓷材料进行孔隙率、抗弯强度、平均孔径测量。在此条件下，多孔陶瓷材料的孔隙率为44.82％，抗弯强度为13.35Mpa，平均孔径为200nm。

对比例：

将硅藻土矿物原料研磨过150目筛，其中硅藻土矿物原料以质量分数计，含二氧化硅90％、氧化铝6％、氧化铁1％、氧化钠(钾)2.5％、其它0.5％。取 100g硅藻土矿物原料，加入300目的淀粉10g，于球磨机中球磨搅拌混合30min，再加入模数为3.5的工业水玻璃50g，混合搅拌30min，得到湿料，装入圆柱形模具中，在8MPa压力下压制成所需压坯。

将压坯放入高温常压电阻炉中，以2℃/min速率升温至600℃保温2h，脱除造孔剂和水分；将样品再以2℃/min的速率升温至800℃烧结2h，随炉冷却后得到所需多孔陶瓷。将该多孔陶瓷进行孔隙率、抗弯强度、平均孔径测量。在此条件下，该多孔陶瓷的孔隙率为72.12％，抗弯强度为9.60MPa，平均孔径为621nm。

从实施例1～5可以看出本发明的多孔陶瓷材料的制备方法制备的多孔陶瓷材料孔隙率较高且强度较好，制得的多孔陶瓷材料的孔隙率为35％～70％，抗弯强度为10.7～20MPa，孔径为200nm～2μm。同时，实施例1～5与对比例比较，对比例采用干压成型制得的样品孔隙率虽高，抗压强度却很低，强度达不到使用要求。

比较对比例与实施例4，对比例与实施例4硅酸盐骨料配比相同，后续成型烧结工艺不同。可以看出对比例采用干压成型工艺成型时，由于原料中含有水分，成型后脱模比较困难，容易造成粘料、脱落等现象并且压坯强度不够，运输过程中易造成变形或者损坏。而实施例4采用注射成型，挤出的样品由于粘结剂在低温下快速固化，使得样品表面光滑、不与模具粘结、易脱模，并且样品具有一定的强度，运输过程中不易出现变形破损等情况。

由此可知，在后续烧结过程中，采用干压成型工艺成型受力不均，压坯烧结过程中极易出现开裂、破坏等现象；而注射成型只要保持一次注射成型过程中的注射温度、注射压力、保压压力与时间这些工艺参数不变，制得的多孔陶瓷材料性能稳定、结构均匀，减少了烧结中的开裂破坏现象。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。