一種低溫制備多孔碳化硅支撐體的方法
【專利摘要】本發明涉及一種低溫制備多孔碳化硅(SiC)多孔支撐體的方法。使用十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)和ZrO2作為燒結助劑，活性炭粉作為造孔劑，碳化硅粉體為骨料混合均勻，通過干壓成型得到胚體，經烘箱干燥后，按燒結溫度進行燒結，在1150℃左右即制備出碳化硅支撐體。該方法可降低燒結溫度，能夠節約能耗。本發明制備出來的支撐體具有高強度、高氣體滲透性能、優良的化學穩定性，在高溫煙氣除塵、廢水處理等方面具有很廣泛的應用前景。
【專利說明】
一種低溫制備多孔碳化硅支撐體的方法
技術領域
[0001] 本發明屬于多孔陶瓷材料技術領域，具體涉及一種低溫制備多孔碳化硅支撐體的 方法。
【背景技術】
[0002] 多孔碳化硅具有耐高溫、耐腐蝕性、熱穩定性好、強度高等優點，在高溫氣體除塵、 廢水水處理等領域具有很大的應用前景。由于碳化硅陶瓷制備過程中所需的燒結溫度過 高，通常需要200CTC以上[Agnieszka G，Ludoslaw S，Pawel L.J Eur Ceram Soc，2007;27 (2-3) :781-9]，導致其制備成本較高，限制了其規模化應用，因此在低溫下制備出具有高滲 透性能的多孔碳化硅陶瓷是目前亟待解決的問題。
[0003] 為了降低陶瓷的燒結溫度，通常使用的方法是添加燒結助劑法，通過在陶瓷骨料 中加入金屬氧化物，使其與碳化硅在較低溫度下即反應燒結形成頸部連接，達到降低燒結 溫度的目的[Phys Eng Aspect，179，2001:201 -208]。金志浩等[西南交通大學學報，2006， 36(9) :971-974]采用51〇2)12〇3、]\%0、〇3〇等燒結助劑在153〇-1600°(：下制備碳化硅陶瓷材 料。Young-11 Lee[J Mater Sci 2004;39(11) :3801-3803]通過添加 Al2〇3、Y2〇3、CaO等燒結 助劑在1550-1750°C下制備碳化硅陶瓷材料。還有一種方法為先驅體轉化法，通過采用含 硅、碳等元素的聚合物，對其進行熱處理使其裂解，通過調節熱解溫度、氣氛來調節孔結構， 成型出各種形狀的陶瓷(J Eur Ceram Soc 2012,32:477-484)268(^1^等人以聚倍半硅氧 烷為原料，使其在1000°C熱解得到硅氧碳多孔陶瓷(Acta Mater. ,2005,53:927-937)。但此 類方法原料價格高昂，導致制備成本高，從而限制了其大規模應用。常用的燒結助劑有氧化 鋁、氧化鋯等。氧化鋯作為一種常見的無機金屬氧化物，其化學穩定性好，耐腐蝕性強，添加 氧化鋯后陶瓷的燒結溫度約為 1550°C[Ind Eng Chem 1^82015,54(1):226-32]。而15501€ 的燒結溫度仍能帶來較大的能耗，因此在更低的溫度下使得陶瓷燒結成型是目前面臨的一 大問題。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于實現低溫制備多孔碳化硅支撐體，得到高溫氣體除塵碳化硅支 撐體材料。本發明通過使用十二烷基苯磺酸鈉以及氧化鋯作為燒結助劑，降低了燒結溫度。
[0005] 為了實現上述目的，本發明采用的技術方案為： 一種低溫制備多孔碳化硅支撐體的方法，制備步驟如下： (1) 按一定比例配制混合粉體a，混合粉體a包括:碳化硅骨料、燒結助劑、造孔劑，并將 其均勻混合； (2) 在混合粉體a中加入用于顆粒粘結的高分子聚合物造粒，使用干壓法制備出一定形 狀尺寸的支撐體坯體，烘干，最終得到干燥后的坯體b; (3) 將坯體b按照一定的升溫程序放入高溫電爐中進行燒結，得到多孔碳化硅支撐體。
[0006] 其中： 步驟(1)所述混合粉體a中燒結助劑為十二烷基苯磺酸鈉和氧化鋯，造孔劑為活性炭粉 作，步驟(2)所述用于顆粒粘結的高分子聚合物為聚乙烯醇溶液。
[0007] 步驟（1)所述的混合粉體a按質量配比為:氧化鋯5-10%，活性炭粉為0-20%，十二 烷基苯磺酸鈉為4-8%，剩余的為碳化硅。
[0008] 步驟(2)所述的聚乙烯醇溶液添加量為混合粉體質量的1-4%，所述的聚乙烯醇溶 液的質量濃度為5-10 %。
[0009] 步驟(2)所述的烘干溫度為60-90°C，烘干時間為60-90min。
[0010] 步驟(3)所述的升溫程序為0-100°C時，以1°C/min升溫至100°C，保溫1-2h，然后以 2-3°C/min升溫至500°C，保溫l_3h，然后以2-3°C/min升溫至900°C，從900°C開始，以1°C/ min的速率升溫至1100-1150°C，保溫4_6h，之后自然降溫。
[0011] 所述的壓制支撐體坯體b有平板狀或管狀。
[0012] 所述碳化硅粉料的平均粒徑為50-100μπι，氧化鋯粉體的平均粒徑為2-5μπι，活性炭 粉的平均粒徑為10_20μπι。
[0013] 本發明制備的多孔碳化硅支撐體材料應用于高溫煙氣除塵領域。其制備原理在 于，利用顆粒堆積法以及加入造孔劑，制備出高氣體滲透性能的多孔材料，利用燒結助劑加 入陶瓷骨料之間，其與骨料在較低溫度就能發生反應形成頸部連接，使陶瓷具有一定的強 度，達到了降低陶瓷燒結溫度的目的。
[0014]測試分析:試樣的孔隙率采用阿基米德排水法測定，抗彎強度采用三點抗彎強度 儀表征，微觀結構米用掃描電子顯微鏡表征。
[0015] 本發明的有益效果： 1) 可降低燒結溫度，節約能耗，1150Γ的燒結溫度即可獲得高強度的碳化硅支撐體； 2) 低溫制備的多孔碳化硅具有良好的氣體滲透性能和化學穩定性，可以應用于高溫氣 體除塵。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發明低溫制備多孔碳化硅支撐體的工藝流程圖。
[0017] 圖2是實施例5和對比例制備所得的多孔碳化硅支撐體的SEM圖，（Α)為未加十二烷 基苯橫酸納的對比例樣品1，（Β)為加入8%十二烷基苯橫酸納的實施例5樣品。
【具體實施方式】
[0018] 下面結合實施例對本發明做更進一步地解釋，下列實施例僅用于說明本發明，但 并不用來限定本發明的實施范圍。
[0019] 實施例1 按質量比計算，將4 %的十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)粉體、10 %的2μπι氧化鋯和86 %的100 μπι碳化硅粉體均勻混合。加入混合粉體質量1 %的質量濃度為10 %的聚乙烯醇(PVA)水溶液 拌充分混合均勻，然后將混合好的粉料采用擠壓法制備出管狀的多孔碳化硅支撐體坯體。 將壓好的支撐體素坯放在60 °C的烘箱中干燥60min，然后將其放入高溫電爐中以1°C/min升 溫到100°C，保溫lh，再以2°C/min升溫到500°C并保溫lh，然后再以2°C/min升溫到900°C，接 著以1°C/min升溫到1150°C，并保溫4h，之后自然降溫。
[0020] 測試結果是:制得的多孔碳化硅支撐體孔隙率是27.7%，抗彎強度為13.6MPa。
[0021] 實施例2 按質量比計算，將8%的SDBS粉體、10%的20μπι活性炭粉、10%的4μπι氧化鋯和72%的 100μπι碳化硅粉體均勻混合。加入混合粉體質量3 %的質量濃度為8 %的PVA水溶液拌充分混 合均勻，然后將混合好的粉料采用擠壓法制備出管狀的多孔碳化硅支撐體坯體。將壓好的 支撐體素坯放在90 °C的烘箱中干燥70min，然后將其放入高溫電爐中以l°C/min升溫到100 °C，保溫2h，再以2 °C/min升溫到500 °C并保溫2h，然后再以2 °C/min升溫到900 °C，接著以1 °C/min升溫到1150°C，并保溫5h，之后自然降溫。
[0022] 測試結果是:制得的多孔碳化硅支撐體孔隙率是40.7%，抗彎強度為27.57MPa。
[0023] 實施例3 按質量比計算，將8 %的SDBS粉體、15 %的ΙΟμπι活性炭粉、5 %的5μπι氧化鋯和72 %的50μ m碳化硅粉體均勻混合。加入3 %的質量分數為8 %的PVA水溶液拌充分混合均勻，然后將混 合好的粉料采用擠壓法制備出平板狀的多孔碳化硅支撐體坯體。將壓好的支撐體素坯放在 90°C的烘箱中干燥80min，然后將其放入高溫電爐中以rC/min升溫到100°C，保溫2h，再以3 °C/min升溫到500 °C并保溫3h，然后再以3 °C/min升溫到900 °C，接著以1°C/min升溫到1150 °C，并保溫5h，之后自然降溫。
[0024]測試結果是:制得的多孔碳化硅支撐體孔隙率是43.7%，抗彎強度為21.3MPa。 [0025] 實施例4 按質量比計算，將8%的3083粉體、20%的1(^111活性炭粉、10%的5以111氧化鋯和62%的 100μπι碳化硅粉體均勻混合。加入混合粉體質量3 %的質量分數為8 %的PVA水溶液拌充分混 合均勻，然后將混合好的粉料采用擠壓法制備出平板狀的多孔碳化硅支撐體坯體。將壓好 的支撐體素坯放在70°C的烘箱中干燥90min，然后將其放入高溫電爐中以TC/min升溫到 100°C，保溫2h，再以3°C/min升溫到500°C并保溫3h，然后再以3°C/min升溫到900°C，接著以 1 C/min升溫到1100 C，并保溫6h，之后自然降溫。
[0026]測試結果是:制得的多孔碳化硅支撐體孔隙率是46.2%，抗彎強度為11.9MPa。
[0027] 實施例5 按質量比計算，將8%的SDBS粉體、20%的20μπι活性炭粉、10%的5μπι氧化鋯和62%的 100μπι碳化硅粉體均勻混合。加入混合粉體質量4 %的質量分數為5 %的PVA水溶液拌充分混 合均勻，然后將混合好的粉料采用擠壓法制備出管狀的多孔碳化硅支撐體坯體。將壓好的 支撐體素坯放在90 °C的烘箱中干燥80min，然后將其放入高溫電爐中以l°C/min升溫到100 。(：，保溫2h，再以2°C/min升溫到300°C，然后以1°C/min升溫到500°C，并保溫3h，然后再以1 °C/min直接升溫到1150°C，并保溫5h，之后自然降溫。
[0028]測試結果是:制得的多孔碳化硅支撐體孔隙率是46.1%，抗彎強度為15. IMPa。
[0029] 對比例1 不添加十二烷基苯磺酸鈉的性能比較。
[0030] 按照實施例5的方法制備不含十二烷基苯磺酸鈉的多孔碳化硅支撐體。在對比例 中，不添加十二烷基苯磺酸鈉，其在1150°C的燒結溫度下不成型，制得的樣品標記為對比樣 品1。將燒結溫度提高至1550Γ，制得的樣品標記為對比樣品2。實施例5與對比例制備所得 兩種樣品的表征結果如下： 表1實施例5與對比例樣品表征結果對比
表1結果表明，不含SDBS的樣品燒結溫度需要達到1550°C，而且含SDBS的樣品抗彎強度 大于不含SDBS的樣品。由此可見，在支撐體粉料中添加 SDBS，不僅可以降低其燒結溫度，而 且可以增加陶瓷的強度。
[0031 ]由圖2可知，（A)為未加十二烷基苯橫酸納的對比例樣品1，（B)為加入8%十二烷基 苯磺酸鈉的實施例5樣品。不添加十二烷基苯磺酸鈉時制備的支撐體材料，粉料顆粒之間無 法在較低溫度下發生反應形成連接，從而導致陶瓷不成型。添加了 8%十二烷基苯磺酸鈉制 備的陶瓷材料，粉料顆粒之間可以發生反應形成牢固的頸部連接，從而使得陶瓷具有較高 的強度。
【主權項】
1. 一種低溫制備多孔碳化硅支撐體的方法，其特征在于，制備步驟如下： (1) 按一定比例配制混合粉體a，混合粉體a包括:碳化硅骨料、燒結助劑、造孔劑，并將 其均勻混合； (2) 在混合粉體a中加入用于顆粒粘結的高分子聚合物造粒，使用干壓法制備出一定形 狀尺寸的陶瓷坯體，烘干，得到干燥后的坯體b; (3) 將坯體b放入高溫電爐中，按照一定的升溫程序進行燒結，得到多孔碳化硅支撐體。2. 根據權利要求1所述的低溫制備多孔碳化硅支撐體的方法，其特征在于，步驟（1)所 述混合粉體a中燒結助劑為十二烷基苯磺酸鈉和氧化鋯，造孔劑為活性炭粉，步驟(2)所述 用于顆粒粘結的高分子聚合物為聚乙烯醇溶液。3. 根據權利要求2所述的低溫制備多孔碳化硅支撐體的方法，其特征在于，步驟（1)所 述的混合粉體a按各成分的質量配比為:氧化鋯5-10%，活性炭粉為0-20%，十二烷基苯磺 酸鈉為4-8%，剩余的為碳化硅粉料。4. 根據權利要求3所述的低溫制備多孔碳化硅支撐體的方法，其特征在于，所述碳化硅 粉料的平均粒徑為50-100M1，氧化鋯粉體的平均粒徑為2-5μπι，活性炭粉的平均粒徑為10-2 Oum 〇5. 根據權利要求2所述的低溫制備多孔碳化硅支撐體的方法，其特征在于，步驟(2)所 述的聚乙烯醇溶液添加量為混合粉體質量的1-4%，所述的聚乙烯醇溶液的質量濃度為5-10%〇6. 根據權利要求1所述的低溫制備多孔碳化硅支撐體的方法，其特征在于，步驟(2)所 述的烘干溫度為60-90°(：，烘干時間為60-901^11。7. 根據權利要求1所述的低溫制備多孔碳化硅支撐體的方法，其特征在于，步驟(3)所 述的升溫程序為〇-l〇〇°C時，以TC/min升溫至100°C，保溫l_2h，然后以2-3°C/min升溫至 500°C，保溫l_3h，然后以2-3°C/min升溫至900°C，從900°C開始，以TC/min的速率升溫至 1100-1150 °C，保溫4-6h，之后自然降溫。8. 根據權利要求1所述的低溫制備多孔碳化硅支撐體的方法，其特征在于，所述的壓制 支撐體坯體b有平板狀或管狀。
【文檔編號】C04B35/565GK105884394SQ201610442510
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月20日
【發明人】仲兆祥, 邢衛紅, 楊怡, 韓峰, 張峰, 徐鵬, 范益群
【申請人】南京工業大學, 南京膜材料產業技術研究院有限公司