一种三维二级多孔海绵状二氧化钛薄板及其制备方法

摘要

本发明公开一种三维二级多孔海绵状二氧化钛薄板及其制备方法，包括以下步骤：(1)粉末混合，利用造孔剂与钛粉末进行充分混合；(2)粉末轧制成形，将步骤(1)中的混合粉末进行轧制成形，形成生板坯；(3)脱脂烧结，将步骤(2)中的生板坯在低温脱脂炉中进行低温脱脂，以脱除其中的造孔剂颗粒，然后随炉冷却到室温，再将其在真空烧结炉中进行烧结并保温，然后随炉冷却到室温，得到多孔钛薄板；(4)阳极氧化，利用酸洗剂对步骤(3)中得到的多孔钛薄板进行超声波清洗，然后将其浸泡入电解质溶液中进行阳极氧化处理，制备得到三维二级多孔海绵状二氧化钛薄板，该三维二级多孔海绵状二氧化钛薄板具有70％～75％的比孔隙率。

说明书

技术领域

本发明涉及光催化材料成型技术领域，特别涉及一种三维二级多孔海绵状二氧化钛薄板及其制备方法。

背景技术

近年来，随着制备技术的发展，多孔材料的应用越来越广泛，材料的多孔特性，赋予了材料崭新的优异性能，使其具备致密材料无可比拟的优势，如比强度高、比表面积大等。而二氧化钛作为光触媒材料，其本身无毒，安全可靠，能够有效的分解甲醛、苯系物等污染物，并且能够破坏细菌细胞膜固化病毒的蛋白质，杀灭细菌降解毒素，将有机污染物分解成水和二氧化碳的同时自身不会发生损耗。在空气净化领域，相较于现有的吸附式空气净化技术，二氧化钛材料具有的光催化特点，使其在该领域展现出广阔的应用前景。

但空气无法穿过实心的二氧化钛板材，将二氧化钛作为涂层附在玻璃珠上或是涂抹在容器内壁、制备二氧化钛网等方法又限制了二氧化钛与空气的有效接触面积，限制了二氧化钛的净化能力，使用二氧化钛粉末净化的方法较适合于水体净化，运用于空气净化需设置催化剂回收装置，使用较复杂且易造成室内粉尘污染。

由于钛的高活性与高熔点，多孔钛大多通过粉末冶金的方式进行制备，如直接烧结法、注射成型法、浆料发泡法等，通过这些方法制备得到的多孔钛合金板难以加工成薄板材，且加工费用高昂，孔隙率也难以控制。过厚的钛板难以进行完全的氧化处理且通风性较差，不稳定的孔隙率无法带来稳定的净化效果。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种比孔隙率更高的三维二级多孔海绵状二氧化钛薄板及其制备方法。

为此，本发明提供了一种三维二级多孔海绵状二氧化钛薄板的制备方法，包括以下步骤：

(1)粉末混合

利用造孔剂与钛粉末进行充分混合；

(2)粉末轧制成形

将步骤(1)中的混合粉末进行轧制成形，形成生板坯；

(3)脱脂烧结

将步骤(2)中的生板坯在低温脱脂炉中进行低温脱脂，以脱除其中的造孔剂颗粒，然后随炉冷却至室温，再将其在真空烧结炉中进行烧结并保温，然后随炉冷却至室温，得到多孔钛薄板；

(4)阳极氧化

利用酸洗剂对步骤(3)中得到的多孔钛薄板进行超声波清洗，然后将其浸泡入电解质溶液中进行阳极氧化处理，制备得到所述的三维二级多孔海绵状二氧化钛薄板。

与现有技术相比，本发明的制备方法具有以下有益效果：1.通过在纯钛粉中添加造孔剂，经轧制与烧结等工艺后获得高孔隙率与高比表面积的连通多孔钛薄板，之后通过阳极氧化反应，使宏孔与微孔相连接，可进一步提高其孔隙率以提高其比表面积，获得三维二级多孔材料；2.在阳极氧化处理时，使孔隙相连的过程中产生的多孔海绵状二氧化钛薄板是具备高比表面积的光触媒材料，具有较好的光敏性能，且稳定性能高、耐候性强。

作为本发明的一个优选方案，在所述步骤(1)中，所述造孔剂的添加量为60～70vol％，钛粉末的粒径为25～50μm。

作为本发明的另一个优选方案，在所述步骤(1)中，所述造孔剂为碳酸氢钠或碳酸氢铵。

作为本发明的又一个优选方案，在所述步骤(2)中，所述混合粉末在轧制成形时，辊缝宽度为0.3～0.5mm，轧制速度为0.2～0.6m/min。

作为本发明的又一个优选方案，在所述步骤(3)中，所述烧结温度为1050～1400℃，所述烧结时间为60～120min，所述保温时间为30～60min。

作为本发明的又一个优选方案，在所述步骤(4)中，所述酸洗剂为盐酸、乙醇与去离子水的混合溶液。

作为本发明的又一个优选方案，在所述步骤(4)中，所述电解质溶液为氟化铵、乙二醇与去离子水的混合溶液。

作为本发明的又一个优选方案，在所述步骤(4)中，在对所述钛薄板进行阳极氧化处理时，以钛薄板作为阳极，以铅板作为阴极，通以30～60V直流电反应20～30min。

作为本发明的再一个优选方案，还包括对所述步骤(4)中得到的三维二级多孔海绵状二氧化钛薄板进行后处理的步骤，所述后处理的步骤包括：将所述三维二级多孔海绵状二氧化钛薄板置入乙醇中浸泡1～2h，室温干燥后在700～800K温度条件下退火2h，温度变化速率为1～4K/min。

本发明还提供了一种利用前述任一技术方案所述的三维二级多孔海绵状二氧化钛薄板的制备方法得到的三维二级多孔海绵状二氧化钛薄板，所述三维二级多孔海绵状二氧化钛薄板的比孔隙率为70％～75％。

与现有技术相比，本发明的三维二级多孔海绵状二氧化钛薄板具有以下有益效果：其比孔隙率达到70％～75％，与空气的接触面积更大，可有效提升净化效率。

附图说明

图1是制备三维二级多孔海绵状二氧化钛薄板的工艺流程示意图；

图2是三维二级多孔海绵状二氧化钛薄板的结构示意图；

图3是多孔钛薄板的扫描电镜图；

图4是三维二级多孔海绵状二氧化钛薄板的扫描电镜图。

具体实施方式

容易理解的是，根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

一种三维二级多孔海绵状二氧化钛薄板的制备方法，包括以下步骤：

第一步：粉末混合

利用造孔剂与钛粉末进行充分混合，其中造孔剂的添加量为60～70vol％，钛粉末的粒径为25～50μm。造孔剂为碳酸氢钠或碳酸氢铵。

第二步：粉末轧制成形

将混合粉末进行轧制成形，形成生板坯，其中混合粉末在轧制成形时，辊缝宽度为0.3～0.5mm，轧制速度为0.2～0.6m/min。

第三步：脱脂烧结

将生板坯在低温脱脂炉中进行低温脱脂，以脱除其中的造孔剂颗粒，然后随炉冷却至室温，再将其在真空烧结炉中进行烧结并保温，然后随炉冷却至室温，得到多孔钛薄板，其中烧结温度为1050～1400℃，烧结时间为60～120min，保温时间为30～60min。

第四步：阳极氧化

利用酸洗剂多孔钛薄板进行超声波清洗，然后将其浸泡入电解质溶液中进行阳极氧化处理，制备得到的三维二级多孔海绵状二氧化钛薄板，其中，酸洗剂为盐酸、乙醇与去离子水的混合溶液，电解质溶液为氟化铵、乙二醇与去离子水的混合溶液，在对钛薄板进行阳极氧化处理时，以钛薄板作为阳极，以铅板作为阴极，通以30～60V直流电反应20～30min。

第五步：后处理

将得到的三维二级多孔海绵状二氧化钛薄板置入乙醇中浸泡1～2h，室温干燥后在700～800K温度条件下退火2h，温度变化速率为1～4K/min。

一种利用前述制备方法得到的三维二级多孔海绵状二氧化钛薄板，三维二级多孔海绵状二氧化钛薄板的比孔隙率为70％～75％。

以下将结合图1至图4具体说明本发明的制备方法和利用该制备方法得到的三维二级多孔海绵状二氧化钛薄板的结构、参数和性能。

如图1所示，选用碳酸氢钠作为造孔剂与粒径为25～50μm的纯钛粉混合，碳酸氢钠作为造孔剂的添加量在60～70vol％，充分混合后进行轧制。轧制时辊缝宽度为0.3～0.5mm，轧制速度为0.2～0.6m/min，以保证其孔隙率与均匀的孔隙分布。轧制完成后将生板坯在1050～1400℃的烧结温度下烧结60～120min，并保温30～60min使其完全成型，该过程将脱去轧制生板坯中的碳酸氢钠，形成三维连通孔，并确保孔隙率稳定，制备得到多孔钛薄板，其扫描电镜照片如图3所示。

使用盐酸、乙醇与去离子水按一定比例混合对薄板进行酸洗，酸洗后以钛薄板作为阳极，铅板作为阴极，浸泡入以氟化铵、乙二醇与去离子水为主要成分的电解液中，并通以30～60V直流电反应20～30min。反应结束后将二氧化钛薄板放入乙醇中浸泡1～2h，室温干燥后于700～800K中退火2h，温度变化速率为1～4K/min，制备得到多孔海绵状二氧化钛薄板，其结构如图2所示，扫描电镜照片如图4所示。

上述工艺过程中，在对混合粉末进行轧制成形，形成多孔钛薄板过程中，会形成一级孔洞，即三维连通孔，而在对钛薄板进行阳极氧化处理过程中，又会在一级孔洞的基础上再次形成新的孔洞，即二级孔洞，该二级孔洞与前述所述的三维连通孔相连通，最终形成的多孔海绵状二氧化钛薄板的比孔隙率更大，比表面积更大。

经检测，利用上述制备方法制备得到的三维二级多孔海绵状二氧化钛薄板的比孔隙率达到70％～75％，具有更大的比表面积，其可作为光催化剂板在空气净化领域应用，与空气的接触面积更大，可有效提升净化效率。

本申请的技术范围不仅仅局限于上述说明书中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本申请技术思想的前提下，对上述实施例进行多种变形和修改，而这些变形和修改均应当属于本申请的保护范围内。