具有多级孔结构的轻质隔热钛酸铝多孔陶瓷的制备方法与流程

本发明属于钛酸铝多孔陶瓷领域，尤其涉及一种具有多级孔结构的轻质隔热钛酸铝多孔陶瓷的制备方法。

背景技术：

1、多孔陶瓷是一种以多孔立体骨架作为内部结构的新型陶瓷材料，具有高气孔率、高比表面积、低密度、耐高温、耐腐蚀磨损等优异性能，因此在催化剂载体、高温过滤、吸声减震和保温隔热等领域广泛应用。其中，高温隔热是多孔陶瓷的一个重点应用领域和发展方向。随着经济社会和军事科技的发展，在航空航天的热防护系统、石油化工设备以及工业窑炉等领域已经开始迫切需求具有更加优异的隔热性能的多孔陶瓷材料。钛酸铝陶瓷一直以来都以低热膨胀性和优良的抗热震性被人们熟知并利用；钛酸铝的导热系数远低于莫来石、氧化铝等常用的耐火材料，同时具有耐高温、耐腐蚀磨损等优良性能，因此也具备发展成性能优良的高温隔热材料的强大潜力。因此，以钛酸铝材料为骨架结构制备多孔陶瓷，使材料兼具al2tio5的固有特性和多孔陶瓷的低密度、高孔隙率等特性，将扩大钛酸铝材料在高温隔热、催化剂载体和颗粒过滤等领域的潜在应用并且具有广阔的发展前景。

2、目前，常见的钛酸铝多孔陶瓷的制备方法有直接发泡法、淀粉固化成型、挤压成型、乳液模板法和溶胶-凝胶法等。例如，naboneeta等人以α-al2o3、tio2和sio2为原料，采用直接发泡法制备了堆积密度为1.34~1.71 g/cm3的多孔al2tio5-莫来石陶瓷，并研究了莫来石含量对其热性能和机械性能的影响。lalli等人利用陶瓷悬浮液乳化工艺和两步烧成相结合的方法制备了密度为1.1 g/cm3的多孔al2tio5-al2o3复合陶瓷。可以看出，上述制备方法获得的多孔陶瓷均具有单一的孔结构、较高的密度和较低的气孔率。这种较高的密度并不利于其在高温隔热领域的应用。因此，目前急需研发一种具有高气孔率、低热导率的钛酸铝多孔陶瓷的制备方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种具有多级孔结构的轻质隔热钛酸铝多孔陶瓷的制备方法，以钛酸铝纳米纤维为基体，硅溶胶为高温粘结剂及相稳定剂，制备过程中加入淀粉，利用淀粉预糊化-糊化工艺，制备得到的钛酸铝多孔陶瓷具有两种不同的孔结构，保证了陶瓷具有高气孔率、低热导率。

2、本发明是通过如下技术方案予以实现：

3、一种具有多级孔结构的轻质隔热钛酸铝多孔陶瓷的制备方法，包括下述步骤：

4、（1）将钛酸铝纳米纤维膜分散获得单根钛酸铝纳米纤维；

5、（2）将分散好的单根钛酸铝纳米纤维加入到硅溶胶中，进一步搅拌均匀，得悬浮溶液；

6、（3）向所述悬浮溶液中加入淀粉，加热至50~60℃，搅拌直至浆料混合均匀，保证淀粉发生预糊化反应；

7、（4）将所述浆料趁热快速转移至垫有纱网的金属模具中，利用聚氯乙烯膜包覆模具，然后迅速将模具转移至70~90℃的鼓风干燥箱中，保温5~8h后，淀粉完全糊化，然后取出模具、进行脱模得到钛酸铝多孔陶瓷坯体；

8、（5）将获得的钛酸铝多孔陶瓷坯体放入箱式炉中，经高温煅烧获得具有多级孔结构的轻质隔热钛酸铝多孔陶瓷。

9、针对目前钛酸铝多孔陶瓷的密度过高，气孔率过低的问题，本申请提出以钛酸铝纳米纤维为基体，硅溶胶为高温粘结剂和相稳定剂，来制备出具有低密度和低热导率的钛酸铝多孔陶瓷。在成型工艺上面，提出采用淀粉预糊化-糊化工艺来制备钛酸铝多孔陶瓷。其中，淀粉在50~60℃的预糊化可以增加混合溶液的粘度，从而提高钛酸铝纳米纤维、硅溶胶和淀粉的分散悬浮性。一方面分散悬浮性好的钛酸铝纳米纤维可形成均匀的三维网络骨架，从而保证钛酸铝多孔陶瓷内部微孔的均匀性。另一方面，预糊化也可保证淀粉能完全分散在溶液中而不发生沉淀，从而保证后续宏孔的均匀性。随后，淀粉在70~90℃的完全糊化保证淀粉能完全膨胀，推动钛酸铝纳米纤维的排布。在高温烧结阶段，淀粉变成气体排除体外，从而在样品内部形成大量的宏孔。另外一方面，本申请采用硅溶胶作为粘结剂，其在高温下会转变为二氧化硅从而将钛酸铝纳米纤维粘结在一起，进而形成钛酸铝纳米纤维骨架。同时，硅溶胶也可以在一定程度上固溶在钛酸铝纳米纤维内部，从而起到提高钛酸铝多孔陶瓷高温稳定性的作用。

10、进一步地，所述钛酸铝纳米纤维膜中纤维的直径为300~800nm。

11、进一步地，所述的分散是将钛酸铝纳米纤维膜剪切为3~10mm2的小块，以无水乙醇为分散剂，以2000~8000r/min速度分散2~5min，分散后烘干获得单根钛酸铝纳米纤维。

12、进一步地，所述硅溶胶的制备方法为：按照质量比5:2:2:0.3将正硅酸乙酯、蒸馏水、无水乙醇、稀盐酸混合，搅拌均匀获得硅溶胶。

13、进一步地，所述硅溶胶与钛酸铝纳米纤维的质量比为30~50:1。

14、进一步地，所述淀粉为玉米淀粉、马铃薯淀粉、木薯淀粉、阳离子淀粉中一种或两种以上。

15、进一步地，步骤（3）所述淀粉与悬浮溶液的质量比为5~15:85~95。

16、进一步地，步骤（5）所述高温煅烧温度为1100~1400℃，升温速率为2~10℃/min，保温时间为1~3h。

17、本发明的优点和积极效果是：

18、本发明制备的钛酸铝多孔陶瓷具有两种不同的孔结构：一种是由钛酸铝纳米纤维交错搭接形成的微孔；另一种则是由淀粉烧失留下的宏孔，这种多级孔结构保证了钛酸铝多孔陶瓷具有高气孔率和低热导率，在高温隔热领域具有广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种具有多级孔结构的轻质隔热钛酸铝多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钛酸铝纳米纤维膜中纤维的直径为300~800nm。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的分散是将钛酸铝纳米纤维膜剪切为3~10mm2的小块，以无水乙醇为分散剂，以2000~8000r/min速度分散2~5min，分散后烘干获得单根钛酸铝纳米纤维。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅溶胶的制备方法为：按照质量比5:2:2:0.3将正硅酸乙酯、蒸馏水、无水乙醇、稀盐酸混合，搅拌均匀获得硅溶胶。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅溶胶与钛酸铝纳米纤维的质量比为30~50:1。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述淀粉为玉米淀粉、马铃薯淀粉、木薯淀粉、阳离子淀粉中一种或两种以上。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述淀粉与悬浮溶液的质量比为5~15:85~95。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（5）所述高温煅烧温度为1100~1400℃，升温速率为2~10℃/min，保温时间为1~3h。

技术总结
本发明属于钛酸铝多孔陶瓷领域，公开了一种具有多级孔结构的轻质隔热钛酸铝多孔陶瓷的制备方法，将钛酸铝纳米纤维膜分散获得单根钛酸铝纳米纤维；将分散好的单根钛酸铝纳米纤维加入到硅溶胶中，搅拌均匀得悬浮溶液；向所述悬浮溶液中加入淀粉，加热至50~60℃，搅拌直至浆料混合均匀，保证淀粉发生预糊化反应；将所述浆料转移至金属模具中，用聚氯乙烯膜包覆模具，迅速将模具转移至70~90℃的鼓风干燥箱中，保温，淀粉完全糊化，然后取出模具、进行脱模得到钛酸铝多孔陶瓷坯体；将获得的坯体放入箱式炉中，高温煅烧获得钛酸铝多孔陶瓷。本发明制备的钛酸铝多孔陶瓷具有具有两种不同的孔结构，保证了陶瓷具有高气孔率、低热导率。

技术研发人员：刘礼龙,刘津
受保护的技术使用者：天津南极星隔热材料有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15