具有抗菌和活化水功能的特种陶瓷材料及制备方法和应用的制作方法

文档序号:1990497阅读:192来源:国知局
专利名称:具有抗菌和活化水功能的特种陶瓷材料及制备方法和应用的制作方法
技术领域
本发明涉及一种陶瓷材料,尤其涉及一种具有抗菌和活化水功能的特种陶瓷的制造及其应用。
背景技术
目前现有技术中具有抗菌和保健功能的陶瓷材料很多。具有抗菌作用的材料,包括有机、无机和天然植物三大类,无机抗菌材料是近几年发展较快且安全性、稳定性和抗菌性均较为理想的新材料。此类无机抗菌材料通常采用沸石、藻类或多孔材料吸附Ag+制成粉体,例如中国专利公开号为CN1395829中公开了一种以藻类为载体吸附银而制成的粉末抗菌材料。中国专利公开号为CN1279222A中公开了一种无机抗菌陶瓷,它是以添加纳米银抗菌粉体制成陶瓷釉实现。上述无机抗菌材料明显的缺点是大多是粉末形态,只能用于作为塑料或橡胶类的添加剂,添加浓度受限,高温不稳定,易氧化、易变色,抗菌效果受到影响,难以应用到体状陶瓷;另外,抗菌釉由于是玻璃体,起抗菌作用的Ag+被封住,不易在接触表面发挥作用。
在CN1392115中公开了一种多功能陶瓷材料,具有活化水及抗菌等多项功能,它是一种采用多种天然矿物原料配方制成的普通陶瓷。由于普通陶瓷结构孔隙率高,因此易吸附微小颗粒和杂质,难以清洁卫生,且强度低、易破碎;同时,由于采用一些天然矿物原料,因而不免产生原料中一些有害物质的溶出,反而造成二次污染;另外,这些材料的功能机理未见确定,尤其涉及活化作用机理不明确。因而,具有明显的局限性。

发明内容
本发明的目的在于提供一种具有抗菌和活化水功能的特种陶瓷材料,用于水和含水液体的处理,具有净化和活化水功能,可有效抑制和杀灭有害细菌,活化水分子,并改善水中营养元素含量。
本发明的另一目的是提供所述特种陶瓷材料的制备方法,通过该方法所制备的特种陶瓷材料结构致密、极少玻璃相和微孔,具有较高的强度和不易破碎等优异的结构特性。
本发明的另一个目的还在于提供该种特种陶瓷体的用途,即部分或全部采用该陶瓷材料制成具有抗菌、除异味、净化和活化水功能的多种卫生、环保、营养和保健养生功能的制品。
本发明的上述目的是通过如下技术方案实现的一种具有抗菌和活化水功能的特种陶瓷材料,其特征在于包括可由下述制备方法得到的产物(1)粉体制备以无机氧化物纳米粉末和纳米银抗菌剂为原料,按重量比55~90%ZrO2、5~20%CeO2、2~10%Y2O3、0~8%CaO、0~8%MgO与0.5~5%Ag+及其载体进行混料制备,纳米粉末的一次粒径为5~80nm;(2)粉体处理与坯体成型将上述粉体经预处理,采用干压或等静压工艺进行坯体成型,压力分别为4-20MPa和100-200Mpa,或采用挤压、厚膜轧膜、注射、流延或注浆成型;(3)坯体预烧和烧结将所得的坯体在常压和自然环境、温度在600-900℃下预烧1~4小时,然后再在1200~1650℃下烧结1~4小时,制成块、片、柱、蜂窝或多孔形状的特种陶瓷体材料。
本发明还提供了一种制备所述特种陶瓷体的方法,其特征在于该方法包括如下步骤(1)粉体制备以无机氧化物纳米粉末和纳米银为原料,按重量比55~90%ZrO2、5~20%CeO2、2~10%Y2O3、0~8%CaO、0~8%MgO与0.5~5%Ag+及其载体进行混料,纳米粉末的一次粒径为5-80nm;(2)坯体成型将上述粉体经预处理,采用干压或等静压工艺进行坯体成型,压力分别为4-20MPa和100-200Mpa;也可采用挤压、厚膜轧膜、注射、流延或注浆成型;(3)坯体预烧和烧结将所得的坯体在常压和自然环境、温度在600-900℃下预烧1~4小时,然后再在1200~1650℃下烧结1~4小时,制成块、片、柱、蜂窝或多孔形状的功能陶瓷体材料。
在本发明的所述方法中,步骤(1)中的粉体制备可直接采用所述比例的无机氧化物纳米粉末与0.5~5%Ag+及其载体进行研磨混料,研磨介质采用去离子水、无水乙醇或异丙醇,时间为2~6小时,然后干燥获得。或者采用无机氧化物以所述配方的无机盐为原料通过液相共沉淀同时合成,然后经过脱水、干燥,在400~900℃煅烧1~4小时,所得无机氧化物产物再添加Ag+及其载体,通过研磨并混料,研磨介质采用去离子水、无水乙醇或异丙醇,研磨时间24~72小时,经干燥后获得。
本发明技术特征还在于所述步骤(2)中采用挤压、厚膜轧膜、注射、流延或注浆成型,成型时前的粉体处理时,需添加1~5%的粘结剂。
本发明还提供了一种特种陶瓷材料在抗菌和活化水处理中的应用;可部分或全部采用该陶瓷材料制备与水和含水物质能长期和有效接触的各种卫生、环保、营养和保健养生功能的制品。
本发明与现有技术相比,具有以下优点及突出性效果①该陶瓷材料属于超微多晶精细陶瓷,晶粒尺寸小于800nm,极少玻璃相和微孔,具有较高致密度、强度和韧性,因而,不会产生吸附和物质溶出,从而避免二次污染的产生,而且不易破碎,经测试,Φ60×4mm的陶瓷片距地0.8米高自由落体于普通水泥地面而不破碎。②该功能陶瓷材料内含Ag+和稀土元素离子,通过有效接触和光催化,与水或氧气作用,释放活性氧和羟基自由基,能有效杀灭细菌,可除出异味、卫生清洁。经测试,用该陶瓷材料浸泡水24小时后水中细菌总数由67000cfu/mL降至<1cfu/mL。③该陶瓷材料具有特定的组成和结构,常温下在2~25波段的频谱辐射率大于90%,最好可达94%以上,而水分子在3μm左右、5-7μm和13μm以上的频谱带都有强的能量吸收带,因而通过匹配吸收,使水分子处于高能态,水分子团的氢键部分解体,使水分子团的分子数减少,呈明显小分子团特性,因而具有活化水功能。试验表明,经过该材料浸泡处理过的自来水比普通自来水17O-NMR谱的半高宽明显变窄,分别为113.69Hz和83.25Hz,减小幅度达26.7%,表明浸泡水的分子团变小。④该陶瓷材料及其制品用于水处理,不是依靠材料的矿物质溶出,而是通过特定频谱能量的辐射吸收,使水分子团的分子数减少,呈明显小分子团特性,具有活化水功能,使普通水的溶解力、渗透力、乳化力和代谢力得以提高,因而,该功能材料具有持久的功能性。实验验证表明,采用该材料用于水处理,可提升水中有益无机元素的离子浓度和溶解氧含量,同时还能降低有害重金属的含量,并提高水的PH值使其微碱性、降低水的可溶固体含量。
采用本发明所提供的特征陶瓷材料及其工艺方法,经过相应的工艺成型和烧结而成块、片、柱、蜂窝或多孔等各种形状的特种功能多晶陶瓷材料,用于水或含水液体处理,具有抗菌卫生和智能活化水功能。部分或全部采用该陶瓷材料,可制成各种卫生、环保、营养和保健养生功能制品。


图1为本发明提供的特种陶瓷的SEM显微结构(晶粒尺寸200-500nm);图2为用本发明提供的特种陶瓷浸泡后的自来水17O-NMR谱(谱峰半高宽83.25Hz);图3为未浸泡的普通自来水的17O-NMR谱(谱峰半高宽113.69Hz)。
具体实施例方式
采用上述特定成份的无机氧化物纳米粉末和纳米银抗菌剂为原料配方,工艺路线为粉体制备—→粉体处理—→坯体成型—→坯体预烧与烧结—→陶瓷体后加工—→制品制备;制成块、膜、片、柱、蜂窝或多孔等各种形状,具有纳米或亚微米(小于800nm)多晶结构的特种功能陶瓷体,材料结构致密,极少玻璃相和微孔,不产生吸附和溶出,具有较高的强度,不易破碎,该材料具有的特定成分和结构,通过有效接触、光催化和特定能量辐射、吸收等作用以及纳米物质的小尺寸、表面和量子效应,可有效抑制和杀灭有害细菌,活化水分子使呈明显小分子团特征,并改善水中微量元素和溶解氧的含量及PH值,具有除异味、净水和活化水功能;部分或全部采用该陶瓷材料,制成各种卫生、环保、营养和保健养生功能制品;根据应用要求,采用不同形状的该陶瓷体并装配,形成最终应用制品。
下面对本发明作进一步的说明本发明提供的特种陶瓷材料以高纯度无机氧化物纳米粉末和纳米银抗菌剂为原料,各组分的重量百分比为55~90wt%ZrO2、5~20wt%CeO2、2~10wt%Y2O3、0~8wt%CaO、0~8wt%MgO和0.5~5wt%Ag+及其载体,纳米粉末的一次粒径为5-80nm。
本发明所述的粉体制备可直接采用所述比例原料(即重量比95~99.5%的无机氧化物纳米粉末和0.5~5%Ag+及其载体)进行研磨混料,研磨介质可以是无离子水,最好用无水乙醇或异丙醇,研磨时间2~6小时,然后干燥。或者,将其中无机氧化物采用按所述配方以无机盐为原料通过液相共沉淀同时合成,然后经过脱水、干燥,在400~900℃煅烧1~4小时,所得产物再添加Ag+及其载体,然后通过研磨并混料,研磨介质采用去离子水、无水乙醇或异丙醇,研磨时间24~72小时,这样粉体原料的组份分散更均匀。
采用干压或等静压工艺进行坯体成型,压力分别为4-20MPa和100-200MPa。成型前的粉体处理需要造粒,造粒大小为20~60目,造粒处理适合于干压、热压和等静压成型,其它成型工艺无需造粒。坯体成型还可以采用挤压、厚膜轧膜、注射、流延或注浆成型,此类工艺需添加粘结剂,粘结剂含用量为1~5%。
坯体成型后要进行陶瓷体的预烧和烧结,在常压和自然环境、温度分别为600-900℃和1200-1650℃下进行预烧和烧结,时间分别为1~4小时;含粘结剂坯体在预烧阶段还需经过排胶工艺;400℃以下要求升温速度小于10℃/小时;在条件许可时,可以不经过预烧过程而直接一次烧成。
将烧成的陶瓷体通过切割、打孔、研磨、倒角和抛光等工艺使其满足制品应用要求,微小细孔或沟槽可采用激光加工完成。
将符合制品应用要求的特种陶瓷体,装配在与水或含水物质能长期和有效接触部位,要求牢固不脱落、不易受强力冲击。这些制品包括各种容器(如杯、瓶、壶、罐、箱和桶等)和水处理器(如饮水机等)。
实旋例实施例1纳米材料55wt%ZrO2、16wt%CeO2、10wt%Y2O3、8wt%CaO和8wt%MgO和3wt%Ag+及其载体,纳米粉末的一次粒径为50~80nm,直接进行研磨混料,采用挤压成型,成型前的粉体处理时加入1%PVA粘结剂,成型坯体进行排胶处理,在600℃下预烧4小时,在1650℃下烧结1小时,制成尺寸10-~100mm的陶瓷块,装配在养鱼箱中被水浸泡的适当部位,可制成富氧养鱼箱。通过功能特种陶瓷的作用,使得箱中普通水得以活化,提高水中溶解氧含量,其抗菌成分还可杀灭和抑制细菌生长,且减少水中氧的消耗,而水中一定浓度的溶解氧是维持水生鱼类生存的必要条件,所以,利用该材料浸泡水,利于鱼的生存、生长,增强活力,还可大大延长养鱼箱中水的更换周期。经检验,用该材料浸泡水60分钟可提高水中溶解氧3.8%。采用不同的粉体处理和成型工艺,如粉体处理用5%石蜡为粘结剂,采用厚膜轧磨工艺成型,通过其后的排胶、预烧、烧结得到的陶瓷材料,也可以达到同样效果。
实施例2纳米材料75wt%ZrO2、10wt%CeO2、6wt%Y2O3和4wt%CaO与5wt%Ag+及其载体,纳米粉末的一次粒径为20-60nm,以无离子水为介质混料研磨、噴雾干燥造粒,5MPa干压成型、900℃预烧1小时、1400℃烧结2小时,然后经后加工工艺,制成Φ60×4mm的表面光滑陶瓷块,装配在不锈钢杯的底部,制成功能饮水杯,该杯中装自来水,通过功能特种陶瓷的浸泡,表征水活化的物理指标17O-NMR谱的半高宽明显变窄,分别为113.69Hz和83.25Hz,呈现明显的小分子团的特征,经过30~60分钟的浸泡自来水,与未经处理的普通自来水比较,其水中钙、铁、锌、硒等营养元素含量提高30-127%不等,而砷、汞、铅等有害元素含量降低17.8~56.0%,而PH值增大2.6%,呈微碱性,更适合人体水的酸碱平衡,并有效杀灭水中大肠杆菌等有害细菌,24小时后水中细菌总数由67000cfu/mL降至<1cfu/mL,使普通自来水的营养功能和卫生状况明显改善,成为健康营养功能水。常期使用该杯饮水,不仅可保证饮水的卫生,还可改善人体的营养吸收,增强代谢和免疫功能,促进身体健康,具有理想的保健养生功效。
实施例3纳米材料90wt%ZrO2、5wt%CeO2、3wt%Y2O3、和2wt%Ag+及其载体,纳米粉末的一次粒径为5~30nm,通过以无水乙醇为介质研磨混料、30目造粒、150MPa等静压成型、800℃预烧2小时、1250℃烧结3小时和后加工工艺,制成Φ3~8mm的陶瓷珠,置于含水的化妆品乳、液或膏霜中,通过功能特种陶瓷的对水的活化作用,同样具有例2的活化水效果,可使普通天然水的17O-NMR谱的半高宽减小至100Hz以下,大约5-6个水分子团,根据有关资料显示,普通天然水的分子团为12~13个水分子,纯净水的分子团水分子数更高,由于小分子团水的渗透力强,使得化妆品中水份和营养物质易于被皮肤吸收,从而增强肌肤的保湿和营养功效,同时还能延长化妆品的保质期。
实施例4以金属Zr、Ce、Y的盐酸盐为原料,按重量比86份ZrO2、5份CeO2和5份Y2O3的比例关系折算相应无机盐原料用量,加去离子水,配成混合溶液,以氨为沉淀剂,通过液相共沉淀获得沉淀物,然后采用压滤脱水,所得滤饼在500℃温度下锻烧2小时,获得96份的混合氧化物,再配以重量比4份的Ag+及其载体,用无水乙醇为介质研磨60小时,干燥后制备出86wt%ZrO2、5wt%CeO2和5wt%Y2O3无机纳米粉末和4wt%纳米Ag+及其载体的粉体,纳米粉末的一次粒径为20~80nm,该粉体通过40目造粒,在10Mpa下干压成型,然后900℃预烧1小时、1400℃烧结2小时和后加工,制成Φ60×4mm的表面光滑陶瓷块,装配在不锈钢杯的底部,制成功能饮水杯,该杯中装自来水,通过功能特种陶瓷的浸泡,同样具有如实例2的应用效果。
权利要求
1.一种具有抗菌活化水功能的特种陶瓷材料,其特征在于包括可由下述制备方法得到的产物(1)粉体制备以无机氧化物纳米粉末和纳米银抗菌剂为原料,按重量比55~90%ZrO2、5~20%CeO2、2~10%Y2O3、0~8%CaO和0~8%MgO与0.5~5%Ag+及其载体进行研磨混料,纳米粉末的一次粒径为5-80nm;(2)粉体处理与坯体成型将上述粉体经预处理,采用干压或等静压工艺进行坯体成型,压力分别为4-20MPa和100-200Mpa,或采用挤压、厚膜轧膜、注射、流延或注浆成型;(3)坯体预烧和烧结将所得的坯体在常压和自然环境、温度在600-900℃下预烧1~4小时,然后再在1200~1650℃下烧结1~4小时,制成块、片、柱、蜂窝或多孔形状的特种陶瓷体材料。
2.一种如权利要求1所述特种陶瓷材料的制备方法,其特征在于该方法包括如下步骤(1)粉体制备以无机氧化物纳米粉末和纳米银抗菌剂为原料,按重量比55~90%ZrO2、5~20%CeO2、2~10%Y2O3、0~8%CaO和0~8%MgO与0.5~5%Ag+及其载体进行研磨混料,纳米粉末的一次粒径为5-80nm;(2)粉体处理与坯体成型将上述粉体经造粒处理,粒径为20~60目,然后采用干压或等静压工艺进行坯体成型,压力分别为4-20MPa和100-200Mpa;(3)坯体预烧和烧结将所得的坯体,在常压和自然环境、温度在600-900℃下预烧1~4小时,然后再在1200~1650℃下烧结1~4小时,制成块、片、柱、蜂窝或多孔形状的特种陶瓷材料。
3.如权利要求2所述的特种陶瓷材料的制备方法,其特征在于所述步骤(1)中的粉体制备是将所述无机纳米氧化物纳米粉末和Ag+及其载体原料按比例直接进行研磨混料,研磨介质采用去离子水、无水乙醇或异丙醇,研磨时间2~6小时,经干燥后获得。
4.如权利要求2所述的特种陶瓷材料的制备方法,其特征还在于所述步骤(1)中的粉体制备时,无机氧化物采用所述配方的无机盐为原料通过液相共沉淀同时合成,然后经过脱水、干燥,在400~900℃煅烧1~4小时,所得产物再添加Ag+及其载体,通过研磨并混料,研磨介质采用去离子水、无水乙醇或异丙醇,研磨时间24~72小时,经干燥后获得。
5.如权利要求2所述的特种陶瓷材料的制备方法,其特征还在于步骤(2)中所述的坯体成型采用挤压、厚膜轧膜、注射、流延或注浆成型,成型前的粉体处理时需添加1~5%的粘结剂。
6.如权利要求1~5任一权利要求所述的陶瓷材料在抗菌和活化水处理中的应用。
7.如权利要求6所述的应用,其特征在于部分或全部采用所述陶瓷材料制备与水或含水物质能长期和有效接触,具有抗菌、除异味、净化和活化水功能的卫生、环保、营养和保健养生制品。
全文摘要
具有抗菌和活化水功能的特种陶瓷材料及制备方法和应用,涉及一种功能特种陶瓷材料及其用途。本发明采用高纯度无机氧化物纳米粉末ZrO
文档编号C04B35/486GK1621388SQ200310115089
公开日2005年6月1日 申请日期2003年11月27日 优先权日2003年11月27日
发明者吴进前, 林旭平 申请人:北京赛奇特种陶瓷功能制品工程研究中心
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