一种纳米孔结构硅硼碳氮多孔陶瓷制备方法

摘要

本发明涉及一种纳米孔结构硅硼碳氮多孔陶瓷的制备方法，由三氯化硼、苯胺、二甲基硅油按比例1:1:2.5均匀混合，加热下反应制得有机先驱体。再将纳米聚丙烯腈纤维浸渍于有机先驱体中并在一定温度下保温。最后将这种混合物置于高纯氮气气氛下烧结，保温结束后随炉冷却至室温。经过高温氮化处理后，其中的聚丙烯腈纤维被刻蚀掉，形成纳米孔结构的硅硼碳氮（Si-B-C-N）多孔陶瓷。得到的硅硼碳氮（Si-B-C-N）多孔陶瓷径为150-300nm，孔隙率高达78~90%，耐高温，抗氧化，空气气氛下950

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合陶瓷材料制备方法，具体的说是一种纳米孔结构硅硼碳氮多孔陶瓷制备方法。

背景技术

随着环境生态污染愈来愈严重，城市雾霾现象也日益严峻，严重影响人们的生活和健康，空气净化问题从而引起了社会的广泛关注。多孔陶瓷作为一种良好的过滤载体，在各个行业的空气净化、过滤起到了重要的作用。如今常用的多孔陶瓷的制备方法有：有机泡沫浸渍法、发泡法、模板合成法等。有机泡沫浸渍法是利用多孔载体（如泡沫塑料）吸附陶瓷料浆，然后在高温下燃尽载体材料而形成孔隙机构，其缺点在于所用原料及工序繁琐，所制的多孔陶瓷孔道和孔径不易控制，且孔隙率不高。发泡法是向陶瓷组分中加入有机或无机的化学物质，在处理期间产生挥发性气体，从而产生泡沫，再经过干燥和烧成制得多孔陶瓷。发泡法制得的多孔陶瓷虽然能具有复杂形状，不同结构的多孔状态，但其孔隙率较低（一般不超过50%）。模板合成法是利用模板中含有的孔道结构，将陶瓷先驱体注入模板中，烧结，使得原有的孔道结构保留下来而制备得到与模板结构和形状相同的多孔陶瓷，但是不同的模板所制得的多孔陶瓷力学性能差异大，受到模板种类的严重影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种方法简单、容易操作，生产成本低，陶瓷孔隙均匀，耐高温，抗氧化的纳米孔结构硅硼碳氮多孔陶瓷制备方法。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种纳米孔结构硅硼碳氮多孔陶瓷制备方法，其特征是：其包括以下步骤：

(1)首先制备Si-B-C-N有机先驱体  将三氯化硼、苯胺、二甲基硅油按摩尔比1:1:2.5均匀混合，并在40~65^oC反应4~5h，制成Si-B-C-N有机先驱体待用；

(2)将纳米聚丙烯腈纤维浸渍于上述Si-B-C-N有机先驱体中，并在50-70^oC下保温1~2h；其中每100gSi-B-C-N有机先驱体中纳米聚丙烯腈纤维的加入量为加入0.3~1.5g；纳米聚丙烯腈纤维直径为150-200nm；

(3)将上述制备的Si-B-C-N有机先驱体和纳米聚丙烯腈纤维混合物冷却至室温并放入气氛保护烧结炉中；烧结炉以3~5^oC/min的升温速率升温至1200^oC，并在1200^oC保温1.5~2.5h；烧结炉通入高纯氮气（纯度为99.999%）做保护气体；

(4)保温结束后随炉冷却至室温，经高温氮化处理后，其中的纳米聚丙烯腈纤维被刻蚀掉，形成纳米孔结构的硅硼碳氮（Si-B-C-N）多孔陶瓷。

本发明以二甲基硅油、三氯化硼、苯胺为单体原料合成Si-B-C-N有机先驱体，该先驱体为硅硼碳氮多孔陶瓷的主要原料，纳米聚丙烯腈纤维为造孔原料。经高温氮化处理后，其中的纳米聚丙烯腈纤维被刻蚀掉，形成纳米孔结构的硅硼碳氮（Si-B-C-N）多孔陶瓷。对照现有技术，本发明方法简单、容易操作，重复性好、生产成本低，陶瓷孔隙均匀，耐高温，抗氧化。制备的硅硼碳氮（Si-B-C-N）多孔陶瓷孔径为150-300nm，经测试孔隙率高达78~90%，耐高温，抗氧化。空气气氛下950^oC没有明显氧化，1100^oC时机械性能没有明显损失。可用于柴油尾气颗粒捕集器（DPF）载体。

附图说明

图1是本发明硅硼碳氮（Si-B-C-N）多孔陶瓷的SEM微观形貌图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

一种纳米孔结构硅硼碳氮多孔陶瓷制备方法，其特征是：其包括以下步骤：

(1)首先制备Si-B-C-N有机先驱体 将三氯化硼、苯胺、二甲基硅油按摩尔比1:1:2.5均匀混合，并在40~65^oC反应4~5h，制成Si-B-C-N有机先驱体待用；

(2)将纳米聚丙烯腈纤维浸渍于上述Si-B-C-N有机先驱体中，并在50-70^oC下保温1~2h；其中每100gSi-B-C-N有机先驱体中纳米聚丙烯腈纤维的加入量为加入0.3~1.5g；纳米聚丙烯腈纤维直径为150-200nm；

(3)将上述制备的Si-B-C-N有机先驱体和纳米聚丙烯腈纤维混合物冷却至室温并放入气氛保护烧结炉中；烧结炉以3~5^oC/min的升温速率升温至1200^oC，并在1200^oC保温1.5~2.5h；烧结炉通入纯度为99.999%的高纯氮气做保护气体；

(4)保温结束后随炉冷却至室温，经高温氮化处理后，其中的纳米聚丙烯腈纤维被刻蚀掉，形成纳米孔结构的硅硼碳氮（Si-B-C-N）多孔陶瓷。

本发明以二甲基硅油、三氯化硼、苯胺为单体原料合成Si-B-C-N有机先驱体，该先驱体为硅硼碳氮多孔陶瓷的主要原料，纳米聚丙烯腈纤维为造孔原料。将硅硼碳氮（Si-B-C-N）有机先驱体与纳米聚丙烯腈纤维的混合物置于保护气氛下高温烧结制备得到纳米孔结构硅硼碳氮多孔陶瓷。经高温氮化处理后，其中的纳米聚丙烯腈纤维被刻蚀掉，形成纳米孔结构的硅硼碳氮（Si-B-C-N）多孔陶瓷。本发明制备的硅硼碳氮（Si-B-C-N）多孔陶瓷扫描电镜微观形貌如图1所示。从图1中可以看到孔隙均匀分布，孔径为150-300nm，经测试孔隙率高达78~90%。耐高温，抗氧化。空气气氛下950^oC没有明显氧化，1100^oC时机械性能没有明显损失。可用于柴油尾气颗粒捕集器（DPF）载体。

实施例1：一种纳米孔结构硅硼碳氮多孔陶瓷制备方法，其包括以下步骤：

(1)首先制备Si-B-C-N有机先驱体 将三氯化硼、苯胺、二甲基硅油按摩尔比1:1:2.5均匀混合，并在40^oC反应5h，制成Si-B-C-N有机先驱体待用；

(2)将纳米聚丙烯腈纤维（纤维直径150-200nm）浸渍于上述Si-B-C-N有机先驱体中，并在50^oC下保温1h；其中每100gSi-B-C-N有机先驱体中纳米聚丙烯腈纤维的加入量为加入1.0g；

(3)将上述制备的Si-B-C-N有机先驱体和纳米聚丙烯腈纤维混合物冷却至室温并放入气氛保护烧结炉中；烧结炉以3~5^oC/min的升温速率升温至1200^oC，并在1200^oC保温2h；烧结炉通入高纯氮气（纯度为99.999%）做保护气体；

(4)保温结束后随炉冷却至室温，经高温氮化处理后，其中的纳米聚丙烯腈纤维被刻蚀掉，形成纳米孔结构的硅硼碳氮（Si-B-C-N）多孔陶瓷。

实施例2：一种纳米孔结构硅硼碳氮多孔陶瓷制备方法，其包括以下步骤：

(1)首先制备Si-B-C-N有机先驱体 将三氯化硼、苯胺、二甲基硅油按摩尔比1:1:2.5均匀混合，并在50^oC反应4.5h，制成Si-B-C-N有机先驱体待用；

(2)将纳米聚丙烯腈纤维（纤维直径150-200nm）浸渍于上述Si-B-C-N有机先驱体中，并在60^oC下保温1.5h；其中每100gSi-B-C-N有机先驱体中纳米聚丙烯腈纤维的加入量为加入1.5g；

(3)将上述制备的Si-B-C-N有机先驱体和纳米聚丙烯腈纤维混合物冷却至室温并放入气氛保护烧结炉中；烧结炉以3~5^oC/min的升温速率升温至1200^oC，并在1200^oC保温1.5h；烧结炉通入高纯氮气（纯度为99.999%）做保护气体；

(4)保温结束后随炉冷却至室温，经高温氮化处理后，其中的纳米聚丙烯腈纤维被刻蚀掉，形成纳米孔结构的硅硼碳氮（Si-B-C-N）多孔陶瓷。

实施例3：一种纳米孔结构硅硼碳氮多孔陶瓷制备方法，其包括以下步骤：

(1)首先制备Si-B-C-N有机先驱体 将三氯化硼、苯胺、二甲基硅油按摩尔比1:1:2.5均匀混合，并在65^oC反应4h，制成Si-B-C-N有机先驱体待用；

(2)将纳米聚丙烯腈纤维（纤维直径150-200nm）浸渍于上述Si-B-C-N有机先驱体中，并在50-70^oC下保温2h；其中每100gSi-B-C-N有机先驱体中纳米聚丙烯腈纤维的加入量为加入0.3g；

(3)将上述制备的Si-B-C-N有机先驱体和纳米聚丙烯腈纤维混合物冷却至室温并放入气氛保护烧结炉中；烧结炉以3~5^oC/min的升温速率升温至1200^oC，并在1200^oC保温1.5h；烧结炉通入高纯氮气（纯度为99.999%）做保护气体；

(4)保温结束后随炉冷却至室温，经高温氮化处理后，其中的纳米聚丙烯腈纤维被刻蚀掉，形成纳米孔结构的硅硼碳氮（Si-B-C-N）多孔陶瓷。

本发明制备的硅硼碳氮（Si-B-C-N）多孔陶瓷可用于柴油尾气颗粒捕集器（DPF）载体。