多孔陶瓷、多孔陶瓷内表面修饰用改性液及其制备方法和应用与流程

本发明涉及电子烟陶瓷材料，具体涉及一种多孔陶瓷、多孔陶瓷内表面修饰用改性液及其制备方法和应用。

背景技术：

1、电子烟又名虚拟香烟、电子雾化器，电子烟具有与香烟相似的外观和味道，但一般不含香烟中的焦油、悬浮微粒等其他有害成分。电子烟主要由雾化器和电源组件构成。雾化器作为电子烟产生雾化气体的核心装置，其雾化效果决定了烟雾的质量与口感，其中雾化芯为雾化器中的核心部件。

2、现有雾化芯多采用陶瓷雾化芯，而陶瓷雾化芯采用多孔陶瓷加发热膜的方式，发热膜通过丝网印刷等工艺成形于多孔陶瓷表面。在雾化过程中，烟油(如蔬菜甘油，丙二醇等)通过多孔陶瓷供给至雾化面。烟油的供给量与烟油的雾化消耗量在雾化过程中达到动态平衡。因此多孔陶瓷传导烟油的能力，对电子烟的雾化性能有着直接的影响。然而多孔陶瓷(如硅藻土多孔陶瓷)本身具有开气孔和闭气孔，这些纳米以及亚微米级别的闭气孔在传导烟油的过程中，对烟油传输速率为负贡献，烟油在进入这部分闭气孔之后，无法被传导至雾化面，反而由于这部分小孔的毛细作用，降低了烟油的传导速率，造成多孔陶瓷供油能力不足，而多孔陶瓷的供油能力不足，一方面将影响陶瓷雾化芯的烟雾量，使其无法达到最佳雾化热效率和最大烟雾量；另一方面，供油不足会导致陶瓷雾化芯在雾化过程中，产生干烧现象，使得烟油中的成分在过高温度下发生分解，产生焦糊味，影响烟气口感。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有多孔陶瓷对烟油的传导速率较低，造成多孔陶瓷供油能力不足，而多孔陶瓷的供油能力不足，一方面将影响陶瓷雾化芯的烟雾量，使其无法达到最佳雾化热效率和最大烟雾量；另一方面，供油不足会导致陶瓷雾化芯在雾化过程中，产生干烧现象，使得烟油中的成分在过高温度下发生分解，产生焦糊味，影响烟气口感的缺陷，进而提供一种多孔陶瓷、多孔陶瓷内表面修饰用改性液及其制备方法和应用。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种多孔陶瓷，所述多孔陶瓷具有若干开气孔和若干闭气孔，所述开气孔表面至少部分的具有二氧化硅层。可以理解的，所述开气孔表面可以部分的具有二氧化硅层，也可以全部覆盖二氧化硅层。优选的，所述二氧化硅层覆盖所述开气孔表面的面积的90％以上。进一步的，所述二氧化硅层覆盖全部所述开气孔表面。

4、在一个具体实施方式中，所述开气孔表面具有二氧化硅层。

5、优选的，所述二氧化硅层中二氧化硅为无定形二氧化硅。

6、优选的，开口气孔率为40％-65％，平均孔径为5-40μm；

7、所述二氧化硅层的厚度不大于10μm；进一步优选的，所述二氧化硅层的厚度为2-10μm，例如2μm、4μm、6μm、8μm、9μm、10μm。

8、在一个具体实施方式中，所述闭气孔内至少部分填充有二氧化硅，可以理解的，所述闭气孔内可以部分填充有二氧化硅，也可以全部填充二氧化硅。进一步的，多孔陶瓷的闭口气孔率为0％-10％。

9、优选的，所述开口气孔率为45％-60％，闭口气孔率为5％-10％，平均孔径为10-30μm。

10、可选的，所述多孔陶瓷的孔隙率为45％-60％。

11、优选的，所述多孔陶瓷为电子烟用多孔陶瓷。

12、本发明不对多孔陶瓷的材质做具体限定，优选的，所述多孔陶瓷可以为氧化锆多孔陶瓷，氧化硅多孔陶瓷，氧化铝多孔陶瓷，碳化硅多孔陶瓷，氮化硅多孔陶瓷，石英多孔陶瓷，硅藻土多孔陶瓷，可以理解的，以硅藻土多孔陶瓷为例，硅藻土多孔陶瓷的主要成分为硅藻土。

13、优选的，所述多孔陶瓷采用如下多孔陶瓷的制备方法制备得到。

14、本发明还提供一种多孔陶瓷内表面修饰用改性液，以重量份数计，包括如下原料：硅溶胶15-60份，增稠剂1-5份，表面活性剂1-5份，ph调节剂0.1-0.5份，粘结剂0.1-1.0份，溶剂20-75份。

15、优选的，所述增稠剂为丙三醇，所述表面活性剂为聚乙二醇400，所述ph调节剂为氨水，所述粘结剂为硅酸钠，所述溶剂为水。

16、在本发明中采用硅溶胶作为主要原料，硅溶胶烧结后形成二氧化硅层，烧结后的涂层主要为不定型的二氧化硅，初始硅溶胶的固含量将影响改性液的整体固含量，最终改性液的固含量应以其主要成分sio2计算。采用丙三醇调节改性液的粘度以及成膜性能，丙三醇的加入，可以使得改性液的粘度增加，更容易与多孔陶瓷内表面产生挂壁现象，与多孔陶瓷的结合更容易；改性液所形成的膜结构在干燥过程中会因为脱水而发生收缩，导致涂层不均匀以及断裂，通过加入一定量的peg400，可以降低改性液的表面张力，增加改性液对多孔陶瓷基体的润湿作用，增强膜的连续性，使其不容易断裂；氨水的加入用于调节改性液的ph值，目标ph值为8.0-9.0，改性液的ph值主要与其粘度以及硅溶胶的溶解度有关，经过试验适宜的ph范围为弱碱性范围；硅酸钠作为粘结剂，可以增强改性液与陶瓷基体的结合。本发明通过以上配比使得最终的改性液固含量(以sio2计)为5-30wt.％，针对不同气孔率，孔径分布的多孔陶瓷，应存在最佳固含量。通过调节改性液的固含量可以调节涂层厚度，进而可以调节改性后多孔陶瓷的气孔率以及平均孔径以及导油速率。

17、优选的，所述氨水的浓度为10-25wt％，所述硅溶胶中sio2含量为25-35wt％；所述改性液的ph为8.0-9.0，以sio2计所述改性液固含量为5-30wt％。

18、本发明还提供一种上述所述的多孔陶瓷内表面修饰用改性液的制备方法，包括如下步骤：将硅溶胶、增稠剂、表面活性剂、ph调节剂、粘结剂、溶剂混合均匀即得。

19、本发明还提供一种多孔陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

20、1)将多孔陶瓷浸渍入改性液中，然后将其置于负压真空条件下进行一次处理；所述改性液为上述所述的多孔陶瓷内表面修饰用改性液或上述所述的制备方法制备得到的多孔陶瓷内表面修饰用改性液；

21、2)步骤1)处理结束后，将多孔陶瓷从改性液中取出，然后将多孔陶瓷置于负压真空条件下进行二次处理，得到二次处理后的多孔陶瓷；

22、3)将二次处理后的多孔陶瓷进行烘干、烧结，得到所述多孔陶瓷。

23、优选的，步骤1)中所述负压真空条件为真空度0.05-0.1bar,一次处理时间为10-20min；

24、步骤2)中所述负压真空条件为真空度0.1-0.2bar,二次处理时间为10-60s；

25、步骤3)中所述烘干温度为50-80℃，烘干时间为1-2h，烧结温度为600-900℃，烧结时间为0.5-1h。

26、在烧结步骤中，本发明不对升温速率做具体限定，可选的，升温速率为2-10℃/min。

27、优选的，步骤1)中所述改性液以重量份数计，包括如下原料：硅溶胶15-60份，增稠剂1-5份，表面活性剂1-5份，ph调节剂0.1-0.5份，粘结剂0.1-1.0份，溶剂20-75份。

28、优选的，所述增稠剂为丙三醇，所述表面活性剂为聚乙二醇400，所述ph调节剂为氨水，所述粘结剂为硅酸钠，所述溶剂为水。

29、优选的，所述氨水的浓度为10-25％，所述硅溶胶中sio2含量为25-35wt.％；所述改性液的ph为8.0-9.0，以sio2计所述改性液固含量为5-30wt％。

30、优选的，步骤1)中在将多孔陶瓷浸渍入改性液之前还包括对多孔陶瓷进行清洗、干燥的步骤。清洗步骤的作用是为了充分去除陶瓷内外表面可能沾有的杂质，使其表面状态归一化，干燥步骤的作用是为了使乙醇完全挥发。

31、优选的，所述清洗步骤包括将多孔陶瓷置于乙醇中超声处理，超声功率为300-600w，超声时间不少于15min，优选的，超声时间为15-30min；

32、所述干燥温度为50-80℃，干燥时间为1-2h。

33、本发明还提供一种上述多孔陶瓷的制备方法制备得到的多孔陶瓷，所述多孔陶瓷具有若干开气孔和若干闭气孔，开口气孔率为40％-65％，平均孔径为5-40μm；

34、所述开气孔表面至少部分的具有二氧化硅层。可以理解的，所述开气孔表面可以部分的具有二氧化硅层，也可以全部覆盖二氧化硅层。优选的，所述二氧化硅层覆盖所述开气孔表面的面积的90％以上。进一步的，所述二氧化硅层覆盖全部所述开气孔表面。

35、在一个具体实施方式中，所述开气孔表面具有二氧化硅层。

36、优选的，所述二氧化硅层中二氧化硅为无定形二氧化硅。

37、优选的，所述二氧化硅层的厚度不大于10μm；进一步优选的，所述二氧化硅层的厚度为2-10μm，例如2μm、4μm、6μm、8μm、9μm、10μm。

38、在一个具体实施方式中，所述闭气孔内至少部分填充有二氧化硅，可以理解的，所述闭气孔内可以部分填充有二氧化硅，也可以全部填充二氧化硅。进一步的，多孔陶瓷的闭口气孔率为0％-10％。

39、优选的，所述开口气孔率为40％-65％，闭口气孔率为0％-10％，平均孔径为5-40μm。

40、可选的，所述多孔陶瓷的孔隙率为45-60％。

41、优选的，所述多孔陶瓷为电子烟用多孔陶瓷。

42、本发明不对多孔陶瓷的材质做具体限定，优选的，所述多孔陶瓷可以为氧化锆多孔陶瓷，氧化硅多孔陶瓷，氧化铝多孔陶瓷，碳化硅多孔陶瓷，氮化硅多孔陶瓷，石英多孔陶瓷，硅藻土多孔陶瓷，可以理解的，以硅藻土多孔陶瓷为例，硅藻土多孔陶瓷的主要成分为硅藻土。

43、本发明还提供一种陶瓷雾化芯，所述陶瓷雾化芯包括多孔陶瓷和发热膜，所述多孔陶瓷为上述所述的多孔陶瓷或上述所述制备方法制备得到的多孔陶瓷。

44、本发明还提供一种雾化装置，所述雾化装置具有上述所述的陶瓷雾化芯。

45、本发明还提供一种上述所述的多孔陶瓷或上述所述制备方法制备得到的多孔陶瓷在雾化装置中的应用。

46、优选的，所述雾化装置为电子烟。

47、本发明的有益效果：

48、1)本发明提供的多孔陶瓷具有若干开气孔和若干闭气孔，所述开气孔表面至少部分的具有二氧化硅层。本发明对多孔陶瓷进行改性处理，使开气孔表面至少部分的具有二氧化硅层，二氧化硅层可有效降低陶瓷内表面与烟油中主要成分(pg/vg)的接触角，从而提升了多孔陶瓷内表面对于烟油的浸润性，进而提升了多孔陶瓷的导油速率，多孔陶瓷导油速率的提升会改善其供油能力，进而有效提升陶瓷雾化芯的烟雾量和雾化热效率，避免产生干烧现象，影响烟气口感。

49、2)本发明提供的多孔陶瓷，进一步的，开口气孔率为40％-65％，平均孔径为5-40μm；所述二氧化硅层的厚度不大于10μm。本发明通过控制开口气孔率、平均孔径和二氧化硅层的厚度有利于保证多孔陶瓷具有优异的导油速率和强度。

50、3)本发明提供的多孔陶瓷，进一步的，所述闭气孔内至少部分填充有二氧化硅，所述闭口气孔率为0％-10％，优选的，闭口气孔率为5％-10％。本发明对多孔陶瓷进行改性处理，在经过改性处理后，改性液填充至这些纳米以及亚微米的闭气孔之中，经过烧结处理，使闭气孔内至少部分填充有二氧化硅，进而封堵这部分闭气孔，在烟油传导过程中，烟油无法进入这部分小孔，从而进一步提升导油速率。

51、此外，经发明人研究发现多孔陶瓷的导油速率一般与其开口气孔率、孔径大小呈现正相关关系。开口气孔率越高，平均孔径越大，其导油速率也越高。然而开口气孔率和孔径的提升，必然会带来陶瓷基体强度的下降，从而导致多孔陶瓷的结构强度，无法满足其进行后续厚膜印刷以及装配的强度要求，同时也可能导致多孔陶瓷在抽吸过程中，产生掉粉的问题。本发明通过在闭气孔内至少部分填充二氧化硅，进而封堵纳米以及亚微米级的闭气孔，意外发现可在提升陶瓷平均孔径的同时提升多孔陶瓷的强度。

52、4)本发明提供的多孔陶瓷内表面修饰用改性液，以重量份数计，包括如下原料：硅溶胶15-60份，增稠剂1-5份，表面活性剂1-5份，ph调节剂0.1-0.5份，粘结剂0.1-1.0份，溶剂20-75份。其中优选的，所述增稠剂为丙三醇，所述表面活性剂为聚乙二醇400，所述ph调节剂为氨水，所述粘结剂为硅酸钠，所述溶剂为水，通过上述几种成分相互配合有利于在开气孔表面形成一层较为致密的，连续的，粗糙度较小的二氧化硅涂层，进而降低陶瓷内表面与烟油中主要成分(pg/vg)的接触角，从而提升了多孔陶瓷内表面对于烟油的浸润性，提升多孔陶瓷的导油速率。

53、5)本发明提供的多孔陶瓷的制备方法，采用上述多孔陶瓷内表面修饰用改性液作为改性液，通过将多孔陶瓷浸渍入改性液中，然后将其置于负压真空条件下进行一次处理，使得改性液可以充分进入多孔陶瓷的内孔道之中，附着在多孔陶瓷内孔道壁上；然后将多孔陶瓷从改性液中取出，将其置于负压真空条件下进行二次处理，将多孔陶瓷内孔道中的改性液抽出，使开气孔孔道形成通孔，并同时在开气孔孔壁形成改性液薄膜，最后经过烘干、烧结处理，使开气孔表面至少部分的具有二氧化硅层。

54、本发明提供的多孔陶瓷的制备方法，在经过改性处理后，改性液填充至纳米以及亚微米的闭气孔之中，在随后的烧结处理中，改性液中的无机成分经烧结形成无定形的二氧化硅，封堵了这部分小孔，在烟油传导过程中，烟油无法进入这部分小孔，从而提升了导油速率；另一方面，经过改性的多孔陶瓷开气孔表面可以形成一层较为致密的，连续的，粗糙度较小的二氧化硅涂层，因此降低了陶瓷内表面与烟油中主要成分(pg/vg)的接触角，从而提升了多孔陶瓷内表面对于烟油的浸润性，提升了多孔陶瓷的导油速率。

55、此外，通过本工艺制备的多孔陶瓷，并不会导致其孔隙率增高(相反会轻微降低)，由于封堵了纳米以及亚微米级的小孔，导致计算出的平均孔径有所提升，同时结构强度还略微提升。同时该工艺步骤简单，可批量处理大量样品对工艺成本的增加有限。

56、6)本发明提供的多孔陶瓷的制备方法，进一步的，本发明通过控制一次处理的真空度、处理时间，可进一步保证改性液可以充分进入多孔陶瓷的内孔道之中，附着在多孔陶瓷内孔道壁上，通过控制二次处理的真空度、处理时间可进一步保证将多孔陶瓷内孔道中的改性液抽出，使开气孔孔道形成通孔，并同时在开气孔孔壁形成改性液薄膜，从而在经过烘干、烧结处理后在开气孔表面形成二氧化硅层。