一种基于碳纤维为造孔剂制备定向多孔氮化硅陶瓷的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一维定向多孔氮化硅陶瓷的制备，具体地说涉及一种基于碳纤维为造 孔剂制备定向多孔氮化硅陶瓷的方法，该材料可作为高温烟气过滤器的核心部件。技术产 业化后可以直接用于高温烟气除尘净化，为国家环境的保护及经济的可持续发展提供技术 支持。
【背景技术】
[0002] 随着我国经济的高速发展和工业化、城市化进程的加快，大气污染物的排放总量 也迅速增加,环境空气质量逐渐下降。电力、钢铁、冶金、建材、化工、垃圾焚烧等工业中的高 温烟气粉尘排放成为大气污染的主要来源之一，已成为影响我国社会经济发展和人民健康 生活水平提高的重要因素。
[0003] 具有优异断裂韧性和高强度纤维状晶粒的多孔氮化硅陶瓷是一种新型的、最具有 前景的可用于高温烟气过滤、除尘的陶瓷基过滤材料，有望替代现有的堇青石和碳化硅材 料。目前，制备多孔氮化硅陶瓷材料的方法大致可分为使用造孔剂和不使用造孔剂烧结两 大类。其中添加造孔剂的专利研究如CN103058701A以硅藻土作造孔剂制备出气孔率51 %、 弯曲强度86. 46MPa及断裂韧性1.41Mpa，m1/2的多孔氮化硅陶瓷；CN 102351563 A以有 机硅树脂为粘结剂和小孔造孔剂、萘粉为大孔造孔剂，制备出具有多级孔径结构的高孔隙 率氮化硅多孔陶瓷；CN101215183以粉煤灰空心微珠为造孔剂制备多孔氮化硅陶瓷。但这 些制备方法制备的孔是无规则排列的，无规则排列的孔隙大大降低了其过滤性能，从材料 微观结构设计分析，定向多孔材料具有良好的流体渗透性及机械性能。通过对国内外专利 与文献的查新结果表明：还没有使用碳纤维作为造孔剂制备定向多孔氮化硅陶瓷材料的报 道。因此，本专利采用可燃性良好、高长径比的碳纤维作为造孔剂，采用低成本的挤压成型 及常压烧结工艺制备一维定向高温烟气除尘用多孔氮化硅陶瓷过滤材料，技术产业化后可 以直接用于高温烟气除尘净化，为国家环境的保护及经济的可持续发展提供技术支持。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是通过可燃性良好、高长径比的碳纤维作为造孔剂，采 用低成本的挤压成型及常压烧结工艺制备一维定向高温烟气除尘用多孔氮化硅陶瓷过滤 材料。
[0005] 为解决上述问题，本发明采用如下技术方案是：
[0006] 一种基于碳纤维为造孔剂制备定向多孔氮化硅陶瓷的方法，其特征在于，包括以 下步骤：
[0007] ①首先按照55?80%的固相含量将质量比为92?95%的氮化硅、5?8%的烧 结助剂（基于氮化硅的质量）、5?40%的碳纤维（基于氮化硅和烧结助剂的质量）、加入 量占固相含量的5?20%的羟丙基甲基纤维素（HPMC)粘接剂、加入量占固相含量的0? 5%的聚乙二醇（PEG-1000)增塑剂、加入量占固相含量的0?2%的丙三醇保湿剂、加入量 占固相含量的O?5%的蓖麻油润滑剂及去离子水混合。
[0008] ②将上述原料混合均匀后，陈腐12?24h，置于压力机以2?10mm/min的挤压速 度挤出，获得定向多孔氮化硅陶瓷的生坯。
[0009] ③将生坯烘干后置于马弗炉中升温至600?800°C保温2?3h排胶。
[0010] ④最后将排胶后的试样放入多功能气氛炉中，在氮气压力0· 2?0· 6MPa下以 10?15°C /min的升温速度逐渐升温到1750?1800°C保温1?2h，即获得定向多孔氮化 硅陶瓷。
[0011] 进一步地，所述烧结助剂为金属氧化物Y203、Eu 203、La203、Lu20 3中的至少一种或它 们的混合物。
[0012] 进一步地，所述碳纤维的长度0. 5?IOmm,直径1?40 μ m。
[0013] 本发明在制备过程中，通过原料的选择及工艺参数的调节来控制陶瓷中的气孔 率、气孔结构及孔径尺寸等重要结构参数。
[0014] 本发明一种基于碳纤维为造孔剂制备定向多孔氮化硅陶瓷的方法具有成本低廉、 工艺简单，陶瓷质量易于控制的特点。技术产业化后可以直接应用在高温烟气除尘设备中， 用以净化空气、保护环境，为国家经济的可持续发展提供技术支持。
[0015] 同时下面结合附图和【具体实施方式】对发明作进一步说明。
【附图说明】
[0016] 图1为下述实施例5烧结试样的XRD图。
[0017] 图2为下述实施例5烧结试样的纵剖面SEM图。
[0018] 图3为下述实施例5烧结试样的横剖面SEM图。
[0019] 图4为下述实施例5烧结试样的高倍下SEM图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
[0021] 1) 一种一维定向多孔氮化娃陶瓷，其组成如表1所不，在表1所不的实施例1? 9中，先将短切碳纤维放在球磨罐中，用玛瑙磨球在行星式球磨机上球磨0. 5?10h，取出 烘干，过10?100目筛备用。将氮化硅、烧结助剂及球磨后的碳纤维按照表1的配比混合 装入球磨罐，以无水乙醇为球磨介质，用玛瑙磨球在行星式球磨机上球磨2h,之后取出置于 80°C干燥箱内烘干，烘干后的混合料过20目筛后备用。
[0022] 2)按照表1所示的实施例1?10的比例，加入HPMC、PEG_1000、蓖麻油、丙三醇及 相应比例的去离子水，在研钵中研磨，揉练均匀后密封陈腐24h。
[0023] 3)陈腐后的泥料通过挤压模具（模具中挤出角的设计为31. 8°，挤出段的长径比 设计为1. 5)挤出成型，挤出速度为4?8mm/min，获得生坯，将挤出后的生坯表面涂覆蓖麻 油后放入干燥箱内干燥，干燥时缓慢升高速度，防止生坯开裂变形，干燥温度控制在90°C以 下，直至试样中的去离子水完全烘干为止。
[0024] 4)生坯中添加了很多有机添加剂和碳纤维，在烧结前必须对试样进行排胶处理。 处理制度选择为缓慢升温至650°C保温3h，直至生坯中的各种添加剂和碳纤维完全离开坯 体。
[0025] 5)将排胶后的生坯放入多功能气氛炉中进行烧结，烧结过程中氮气压力控制在 0. 225MPa，以10?15°C /min的升温速度逐渐升温到1750°C保温2h，获得定向多孔氮化硅 陶瓷。
[0026] 6)用游标卡尺测量试样烧结前后的尺寸变化，计算出线收缩率；阿基米德排水 法测定开气孔率及其密度；三点弯曲法测量试样的弯曲强度；用显微硬度法测量试样的硬 度；X射线衍射仪（XRD)分析物相；扫描电镜（SEM)观察试样的显微结构。表1为本发明实 施例1-9的原料配比（含量），表2为本发明定向多孔氮化硅陶瓷的测试性能。实施例5烧 结试样的XRD图如图1所示，SEM纵剖面如图2所示，横剖面（低倍）如图3所示、高倍如 图4所示。
[0027] 表1本发明实施例1-9的原料配比
[0028]
【主权项】
1. 一种基于碳纤维为造孔剂制备定向多孔氮化硅陶瓷的方法，其特征在于，包括以下 步骤： ① 首先按照55?80%的固相含量将质量比为92?95%的氮化硅、5?8%的烧结助 剂（基于氮化硅的质量）、5?40%的碳纤维（基于氮化硅和烧结助剂的质量）、加入量占 固相含量的5?20%的羟丙基甲基纤维素（HPMC)粘接剂、加入量占固相含量的0?5%的 聚乙二醇（PEG-1000)增塑剂、加入量占固相含量的0?2%的丙三醇保湿剂、加入量占固相 含量的0?5%的蓖麻油润滑剂及去离子水混合。 ② 将上述原料混合均勻后，陈腐12?24h，置于压力机以2?10mm/min的挤压速度挤 出，获得定向多孔氮化硅陶瓷的生坯。 ③ 将生坯烘干后置于马弗炉中升温至600?800°C保温2?3h排胶。 ④ 最后将排胶后的试样放入多功能气氛炉中，在氮气压力0. 2?0. 6MPa下以10? 15°C /min的升温速度逐渐升温到1750?1800°C保温1?2h，即获得定向多孔氮化硅陶瓷。
2. 根据权利要求1所述的一种基于碳纤维为造孔剂制备定向多孔氮化硅陶瓷的方法， 其特征在于，所述烧结助剂为金属氧化物Y20 3、Eu203、La203、Lu 203中的至少一种或它们的混 合物。
3. 根据权利要求1所述的一种基于碳纤维为造孔剂制备定向多孔氮化硅陶瓷的方法， 其特征在于，所述碳纤维的长度0. 5?10mm，直径1?40 y m。
【专利摘要】本发明公开了一种基于碳纤维为造孔剂制备定向多孔氮化硅陶瓷的方法，其制备步骤为：将不同固相含量将不同配比的氮化硅、不同长度的碳纤维、烧结助剂、有机添加剂及去离子水混合，混料均匀后，陈腐一段时间置于压力机以不同的挤压速度挤出成型得到陶瓷生坯，生坯经排胶后在氮气气氛下烧结最终获得一维定向多孔氮化硅陶瓷。制备过程中，通过原料的选择及工艺参数的调节来控制陶瓷中的气孔率、定向气孔结构及孔径尺寸等重要结构参数。本发明所述制备方法具有成本低廉、工艺简单，陶瓷质量易于控制的特点。技术产业化后可以直接应用在高温烟气除尘设备中，用以净化空气、保护环境，为国家经济的可持续发展提供技术支持。
【IPC分类】C04B35-584, B01D39-20, C04B35-622, C04B38-06
【公开号】CN104529523
【申请号】CN201410757409
【发明人】于方丽, 陈景华, 韩朋德, 管浩, 倪澍, 张长森
【申请人】盐城工学院
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月12日