一种多孔材料及其低能耗制备方法和应用与流程

本发明涉及多孔材料制备技术领域，尤其涉及一种多孔材料及其低能耗制备方法和应用。

背景技术：

多孔材料是一种新兴功能材料，在结构及光电材料，吸附及分离介质，生物医学等领域具有广阔应用前景，自问世以来，备受国际诸多学科领域学者重视，迅速成为跨学科研究的焦点和热点。制备多孔材料的方法有很多，其中熔体发泡法由于工艺流程简单，成本较低等优点被广泛使用。

但是在实际使用熔融发泡法制备多孔材料时，由于多孔材料基础配合料熔融温度较高，会消耗大量能源，能源的大规模开采以及燃烧时产生的废烟废气等也会对环境造成严重的污染。

为了降低多孔材料制备过程中的能源消耗，国内外很多学者进行了研究。最常见的包括改变多孔材料配方，或者加入低熔点物质降低多孔材料烧成温度，如安徽建筑大学刘丽等在以煤矸石为原料制备多孔陶瓷时，通过加入氧化铝以及氧化镁使得多孔陶瓷烧结温度降低了约100℃。这样虽然可以降低多孔材料烧成温度，但没有改变热场均匀性，虽然降低了能源消耗，但是同时增大了原材料成本。

目前还有人尝试通过改变加热方式来降低多孔材料制备过程中能量消耗。如中南大学毛晓明等在铁矿烧结点火中应用微波加热来促进炉内温度场均匀分布，降低能源消耗。但是使用微波加热也面临许多问题，如微波加热设备成本高昂，配套设施需求较高等；而且微波加热虽然在低温段具有很好的供热效率，但是当所需温度较高时，微波加热反而需要更多的能量；更重要的是，微波加热目前适用范围存在局限性，主要用于黑色、有色金属的火法冶金过程，在无机非金属材料体系的应用还有待开发。

因此，需要开发一种升温效率高的同时尽可能低能耗、低成本的多孔材料制备方法。

技术实现要素：

鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于降低多孔材料烧成加热温度，促进多孔材料基础配合料温度场均匀分布，提供了一种低能耗制备多孔材料的方法。

为了达到以上目的，本发明采用的如下的技术方案：

第一方面，本发明提供了一种多孔材料，所述多空材料包括多孔材料基料与硬质高导热颗粒；其中硬质高导热颗粒须满足：在多孔材料的烧成温度下能稳定存在。本发明的多孔材料孔隙率在40.0～98.0％范围内。

其中，所述硬质高导热颗粒的热导率为50～200w/mk，比热容为0.05～0.5kcal/(kg·℃)。

本发明所述硬质高导热颗粒的比热容优选为0.05～0.20kcal/(kg·℃)。

优选地，所述硬质高导热颗粒的热导率为100～200w/mk。

优选地，所述硬质高导热颗粒的粒径为15～500μm，例如15μm、30μm、50μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm或500μm等，优选15～160μm。

优选地，所述硬质高导热颗粒包括固态硅、氮化铝或碳化硅中的任意一种或至少两种的组合，其中，典型但非限制性的组合为：固态硅与氮化铝的组合、固态硅与碳化硅的组合、氮化铝和碳化硅的组合。

优选地，所述硬质高导热颗粒中固态硅、氮化铝与碳化硅的质量比为(0.1～20.0):(0.1～10.0):(0.1～15.0)，例如0.1:0.1:15、0.5:10:10、5:0.5:2、10:5:10或20:2:6等，优选(0.1～8.0):(0.1～5.0):(0.1～2.0)。

本发明所述多孔材料基料优选包括含元素si、mg、k、na、ca、b、al和f的矿物和/或化工原料经球磨得到的混合物，例如可以是na2co3、mgo、k2co3、sio2、cao、b2o3、al2o3、caf2经球磨得到的混合物，可以是石英砂、铝土矿、白云石等经球磨得到的混合物。

优选地，所述多孔材料基料中si、mg、k、na、ca、b和al的质量比为(10～50):(0～5):(1～10):(5～15):(1～5):(5～10):(1～8)，例如10:1:10:15:5:5:8、50:5:1:5:1:10:1、20:3:7:10:2:7:6等。

优选地，所述球磨的时间为30～120min，例如30min、45min、60min、70min、90min、100min、110min或120min等，优选30～60min。

本发明所述多孔材料基料与所述硬质高导热颗粒的质量比优选为(80.0～99.9):(0.1～20.0)，例如80.0:20、99.9:0.1、85:18、87:10、90:10或95:5等，优选(92.0～99.9):(0.1～8.0)。

第二方面，本发明提供了如第一方面所述多孔材料的低能耗制备方法，所述方法包括：将多孔材料基料与硬质高导热颗粒混匀后，经热处理进行发泡，之后冷却，得到所述多孔材料。

本发明所述混匀之后热处理之前优选还包括：装模。

优选地，所述装模包括：将所述混匀的物料自然平铺于模具中。

本发明所述热处理的温度优选为600～1200℃，例如600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃或1200℃等，优选750～950℃。

本发明所述热处理优选具体包括：从室温第一次升温至400～650℃，例如400℃、420℃、450℃、480℃、500℃、520℃、550℃、580℃、600℃、620℃或650℃等，保温60～120min后，例如60min、70min、80min、90min、100min、110min或120min等，第二次升温到600～1200℃，例如600℃、650℃、720℃、780℃、800℃、850℃、920℃、980℃、1000℃、1100℃或1200℃等，保温30～120min，例如30min、45min、60min、70min、80min、90min、100min、110min或120min等。

优选地，所述第一次升温的速率和所述第二次升温的速率各自独立地选自5～15℃/min，例如5℃/min、6℃/min、8℃/min、10℃/min、12℃/min、14℃/min或15℃/min等。

作为本发明优选的技术方案，所述多孔材料的低能耗制备方法包括如下步骤：

(1)将多孔材料基料与粒径为15～500μm、热导率为50～200(w/mk)，比热容为0.05～0.5kcal/(kg·℃)的硬质高导热颗粒按照质量比为(80.0～99.9):(0.1～20.0)混匀，其中所述多孔材料基料包括含元素si、mg、k、na、ca、b和al的任意一种或至少两种的矿物和/或化工原料经球磨30～120min所得混合物；

(2)装模后，进行热处理，包括：从室温以5～15℃/min的速率第一次升温至400～650℃，保温60～120min后以5～15℃/min的速率升温到600～1200℃，保温30～120min。

(3)冷却，得到所述多孔材料。

优选地，所述热处理的时间为0.1～2.0h，例如0.1h、0.2h、0.5h、0.8h、1h、1.2h、1.5h、1.8h、2h等，优选10～60min。

第三方面，本发明提供了如第一方面所述多孔材料在光电材料、吸附介质和分离介质中的应用。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

通过加入具有高热导率、低比热容的硬质高导热率颗粒作为降低多孔材料制备能耗的添加剂，一方面能加速多孔材料基料内部的热量扩散，使得多孔材料配合料温度场均匀分布，提高升温效率；另一方面能够快速升温，从而作为多孔材料配合料中“局部热点”促进周围配合料温度升高。最终使得多孔材料烧成时加热温度降低20～250℃，从而降低多孔材料制备过程中能量消耗。且孔隙分布均匀，孔隙率为40.0～98.0％。

附图说明

图1为本发明多孔材料制备工艺流程图；

图2为本发明多孔材料制备降低能耗的原理图；

图3为本发明制备的低能耗多孔材料孔结构。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

实施例1

一种多孔材料，其低能耗制备方法包括以下步骤：

1)将固态硅颗粒球磨后湿筛出160μm的固态硅颗粒，烘干备用。

2)精确称量碳酸钠(na2co3)20.0g，氧化镁(mgo)3.0g，碳酸钾(k2co3)6.0g，二氧化硅(sio2)45.0g，氧化钙(cao)3.0g，氧化硼(b2o3)9.0g，氧化铝(al2o3)45.0g，氟化钙(caf2)9.0g。放入球磨机球磨30min混合均匀，磨细待用。

3)将球磨后的原料和1.0g湿筛后烘干的粒度为160μm的固态硅颗粒混合均匀，随后倒入模具中，自然堆积并铺平物料表面。

4)将装有混合料的模具放入热处理装置中发泡烧成，制度为：从室温以5℃/min的速率升温到600℃，在600℃保温120min后以10℃/min的速率升温到870℃，保温60min，随炉冷却到室温。即得孔径分布均匀的多孔材料。

得到的多孔材料孔隙率为91.31％，平均孔径1.21mm，相比于未加入硬质高导热率颗粒，烧成加热温度降低60℃。

实施例2

一种多孔材料，其低能耗制备方法包括以下步骤：

1)将固态硅颗粒球磨后湿筛出15μm的固态硅颗粒，烘干备用。

2)精确称量碳酸钠(na2co3)20.0g，氧化镁(mgo)3.0g，碳酸钾(k2co3)6.0g，二氧化硅(sio2)45.0g，氧化钙(cao)3.0g，氧化硼(b2o3)9.0g，氧化铝(al2o3)45.0g，氟化钙(caf2)9.0g。放入球磨机球磨120min混合均匀，磨细待用。

3)将球磨后的原料和2.0g湿筛后烘干的粒度为160μm的固态硅颗粒混合均匀，随后倒入模具中，自然堆积并铺平物料表面。

4)将装有混合料的模具放入热处理装置中发泡烧成，制度为：从室温以5℃/min的速率升温到600℃，在600℃保温120min后以10℃/min的速率升温到850℃，保温60min，随炉冷却到室温。即得孔径分布均匀的多孔材料。

得到的多孔材料孔隙率为92.20％，平均孔径1.26mm，相比于未加入硬质高导热率颗粒，烧成加热温度降低80℃。

实施例3

一种多孔材料，其低能耗制备方法包括以下步骤：

1)将固态硅颗粒球磨后湿筛出160μm的固态硅颗粒，将固态氮化铝颗粒球磨后湿筛出160μm的固态氮化铝颗粒，烘干备用。

2)精确称量碳酸钠(na2co3)20.0g，氧化镁(mgo)3.0g，碳酸钾(k2co3)6.0g，二氧化硅(sio2)45.0g，氧化钙(cao)3.0g，氧化硼(b2o3)9.0g，氧化铝(al2o3)45.0g，氟化钙(caf2)9.0g。放入球磨机球磨30min混合均匀，磨细待用。

3)将球磨后的原料和3.0g湿筛后烘干的粒度为160μm的固态硅颗粒、1.0g湿筛后烘干的粒度为160μm的固态氮化铝颗粒混合均匀，随后倒入模具中，自然堆积并铺平物料表面。

4)将装有混合料的模具放入热处理装置中发泡烧成，制度为：从室温以5℃/min的速率升温到600℃，在600℃保温120min后以10℃/min的速率升温到840℃，保温60min，随炉冷却到室温。即得孔径分布均匀的多孔材料。

得到的多孔材料孔隙率为90.65％，平均孔径1.30mm。相比于未加入硬质高导热率颗粒，烧成加热温度降低90℃。

实施例4

一种多孔材料，其低能耗制备方法包括以下步骤：

1)将固态硅颗粒球磨后湿筛出160μm的固态硅颗粒，将固态氮化铝颗粒球磨后湿筛出80μm的固态氮化铝颗粒，烘干备用。

2)精确称量碳酸钠(na2co3)20.0g，氧化镁(mgo)3.0g，碳酸钾(k2co3)6.0g，二氧化硅(sio2)45.0g，氧化钙(cao)3.0g，氧化硼(b2o3)9.0g，氧化铝(al2o3)45.0g，氟化钙(caf2)9.0g。放入球磨机球磨60min混合均匀，磨细待用。

3)将球磨后的原料和20.0g湿筛后烘干的粒度为160μm的固态硅颗粒、1.0g湿筛后烘干的粒度为80μm的固态氮化铝颗粒混合均匀，随后倒入模具中，自然堆积并铺平物料表面。

4)将装有混合料的模具放入热处理装置中发泡烧成，制度为：从室温以5℃/min的速率升温到600℃，在600℃保温120min后以10℃/min的速率升温到750℃，保温60min，随炉冷却到室温。即得孔径分布均匀的多孔材料。

得到的多孔材料孔隙率为70.65％，平均孔径1.30mm。相比于未加入硬质高导热率颗粒，烧成加热温度降低180℃。

实施例5

一种多孔材料，其低能耗制备方法包括以下步骤：

1)将固态硅颗粒球磨后湿筛出平均粒径为43μm的固态硅颗粒，将固态氮化铝颗粒球磨后湿筛出平均粒径为80μm的固态氮化铝颗粒，将固态碳化硅颗粒球磨后湿筛出平均粒径为100μm的固态碳化硅颗粒，烘干备用。

2)精确称量碳酸钠(na2co3)20.0g，氧化镁(mgo)3.0g，碳酸钾(k2co3)6.0g，二氧化硅(sio2)45.0g，氧化钙(cao)3.0g，氧化硼(b2o3)9.0g，氧化铝(al2o3)45.0g，氟化钙(caf2)9.0g。放入球磨机球磨45min混合均匀，磨细待用。

3)将球磨后的原料和1g湿筛后烘干的粒度为43μm的固态硅颗粒、2g湿筛后烘干的粒度为80μm的固态氮化铝颗粒、3g湿筛后烘干的粒度为100μm的固态碳化硅颗粒混合均匀，随后倒入模具中，自然堆积并铺平物料表面。

4)将装有混合料的模具放入热处理装置中发泡烧成，制度为：从室温以5℃/min的速率升温到600℃，在600℃保温120min后以10℃/min的速率升温到810℃，保温60min，随炉冷却到室温。即得孔径分布均匀的多孔材料。

得到的多孔材料孔隙率为93.10％，平均孔径1.15mm，相比于未加入硬质高导热率颗粒，烧成加热温度降低120℃。

实施例6

一种多孔材料，其低能耗制备方法包括以下步骤：

1)将固态硅颗粒球磨后湿筛出500μm的固态硅颗粒，烘干备用。

2)精确称量碳酸钠(na2co3)20.0g，氧化镁(mgo)3.0g，碳酸钾(k2co3)6.0g，二氧化硅(sio2)45.0g，氧化钙(cao)3.0g，氧化硼(b2o3)9.0g，氧化铝(al2o3)45.0g，氟化钙(caf2)9.0g。放入球磨机球磨30min混合均匀，磨细待用。

3)将球磨后的原料和1.0g湿筛后烘干的粒度为500μm的固态硅颗粒混合均匀，随后倒入模具中，自然堆积并铺平物料表面。

4)将装有混合料的模具放入热处理装置中发泡烧成，制度为：从室温以5℃/min的速率升温到600℃，在600℃保温120min后，以15℃/min的速率升温到900℃，保温10min；随炉冷却到室温。即得孔径分布均匀的多孔材料。

得到的多孔材料孔隙率为90.11％，平均孔径1.56mm，相比于未加入硬质高导热率颗粒，烧成加热温度降低30℃。

实施例7

一种多孔材料，其低能耗制备方法包括以下步骤：

1)将固态硅颗粒球磨后湿筛出平均粒径为43μm的固态硅颗粒，将固态氮化铝颗粒球磨后湿筛出平均粒径为80μm的固态氮化铝颗粒，将固态碳化硅颗粒球磨后湿筛出平均粒径为100μm的固态碳化硅颗粒，烘干备用。

2)精确称量碳酸钠(na2co3)3.0g，碳酸钾(k2co3)3.0g，二氧化硅(sio2)45.0g，氧化钙(cao)7.0g，氧化铝(al2o3)25.0g，氟化钙(caf2)2.0g，氧化锌(zno)1.5g，二氧化钛(tio2)1.0g，氧化铁(fe2o3)2.0g，高锰酸钾(kmno4)1.0g。放入球磨机球磨45min混合均匀，磨细待用。

3)将球磨后的原料和10g湿筛后烘干的粒度为43μm的固态硅颗粒、7g湿筛后烘干的粒度为80μm的固态氮化铝颗粒、3g湿筛后烘干的粒度为100μm的固态碳化硅颗粒混合均匀，随后倒入模具中，自然堆积并铺平物料表面。

4)将装有混合料的模具放入热处理装置中发泡烧成，制度为：从室温以5℃/min的速率升温到600℃，在600℃保温120min后以10℃/min的速率升温到1050℃，保温60min，随炉冷却到室温。即得孔径分布均匀的多孔材料。

得到的多孔材料孔隙率为95.20％，平均孔径1.55mm，相比于未加入硬质高导热率颗粒，烧成加热温度降低250℃。

对比例1

与实施例5的区别仅在于：不加入步骤1)的组合物。

得到的多孔材料孔隙率为30.50％，平均孔径0.12mm，孔隙分布不如实施例5的产品均匀，烧成加热温度比实施例5高120℃。

对比例2

与实施例5的区别仅在于：将步骤1)的组合物替换为低熔点物质1g碳酸钠和2g碳酸钾的混合物。

得到的多孔材料孔隙率为42.50％，平均孔径0.11mm，孔隙分布不如实施例5的产品均匀，烧成加热温度比实施例5高40℃。

对照实施例5与对比例1-2可知，本发明添加硬质高热导颗粒相较于不添加以及添加低熔点物质在降低烧成温度、提高孔隙率和孔隙分布均匀性上都有明显优势。如图2所示，本发明的硬质高热导颗粒能热处理后迅速升温并扩散温度，使得受热的混合物料温度场迅速达到均匀状态，而这是现有技术中单单靠低熔点降低烧成温度不能达到的效果。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。