Expancel微球如何高效稳定造孔多孔陶瓷研究

Expancel

Expancel微球如何高效稳定造孔多孔陶瓷研究
高彩斌，王万勋 ，何广明
(广州工程职业技术学院，广东广州510760)
摘要：通过利用Expancel微球920DET40d25自身的闭孔空心球体结构，搅拌微球均匀分散于陶瓷材料中，在陶瓷内部轻而易举形成均一的气孔。在高温烧结过程当中， Expancel微球热塑性塑料外壳将高温破坏和挥发不残留，形成相互贯通的微孔。
关键词：Expancel微球；造孔；多孔陶瓷；
多孔陶瓷也称为气孔功能陶瓷，它是一种新型陶瓷材料，是成型后经高温烧成制得，体内具有大量彼此相通或闭合气孔的陶瓷材料。由于陶瓷材料内部分布着相互贯通的微孔或空洞，使它具有比表面积大、密度低、透过性好、热导率小、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等诸多优良性能，己被广泛应用于航空航天、能源、化工、电子、生物和医学等多个科学领域。
目前在高温分离方面（如高温气体分离、液体金属过滤）、催化剂载体方面已起到不可替代的作用，在吸声隔热、燃料电池、敏感元件等方面也有着广泛的应用，多孔陶瓷的生物相容性好、无毒副作用，而人几乎所有的器官都可用人造材料代替，所以它在生物工程材料的应用将会成为未来的研究热点。
Expancel微球是以热塑性高分子为壳体、内含低沸点碳氢化合物的微球，加热后，高分子壳体软化，其中的液状碳氢化合物变成气体，导致微球体膨胀发泡。它具有球体粒径均一，发泡和造孔可控性强等特点。



1. 多孔陶瓷的分类
多孔陶瓷的种类繁多。按孔径大小可分为：微孔陶瓷（孔径小于2nm）、介孔陶瓷（孔径在2～50nm）和宏孔陶瓷（孔径大于50nm）；按孔的形状结构可分为：泡沫陶瓷、蜂窝陶瓷和粒状陶瓷烧结体；按孔隙之间关系可分为：闭气孔和开气孔2 种；按材质可分为：高硅质硅酸盐材料、铝硅酸盐材料、精陶制材料、硅藻土材料、纯碳质材料、刚玉和金刚砂材料等。
2. 多孔陶瓷传统的制备工艺
多孔陶瓷是19 世纪70 年代发展起来的陶瓷材料，传统的制备工艺有挤压成型工艺、颗粒堆积法、有机泡沫浸渍法、发泡法、添加造孔剂法、溶胶-凝胶法等。传统的制备工艺比较成熟，所以目前广泛应用的多孔陶瓷大部分是由传统工艺制备的。


3. 应用原理
1）用作添加造孔剂法或有机泡沫浸渍法
  

造孔剂法是向陶瓷配料中添加造孔剂，利用造孔剂在坯料中占据一定的空间，烧结后离开基体而形成孔隙的性质来制备多孔陶瓷。造孔剂可分为无机物和有机物两大类。有机造孔剂有碳粉、淀粉，煤粉等。无机造孔剂根据造孔原理的不同可分2 类：（1）易挥发性无机物，是通过特定温度下无机物的分解产生大量气体，在冷却后保留下来成为气孔，如(NH4)2CO3、NH4HCO3、NH4Cl 等；（2）一些熔点较高，但可溶于水、酸或碱溶液的无机盐是待基体烧结后，用水、酸或碱溶液浸出造孔剂而保留下来称为气孔，如NaCl、Na2SO4、CaSO4 等。
Expancel微球作为一种空心的材料，只需要简单的混合和烧结就能形成均一的孔径，不需要通过添加不同的化合物反应而造孔。有此方法做出的多孔陶瓷材料，孔径均一，结构强度好，不容易碎裂。
2）用作发泡法
发泡法是在陶瓷组分中添加有机或无机化学物质，在处理过程中形成挥发性气体，产生泡沫，经干燥和烧成制成多孔陶瓷。
  
Expancel微球具有受热可膨胀性，膨胀粒径只有12微米，膨胀之后可达到40微米，对应密度从1100kg/m3降低到30kg/m3，只需要1%的添加量，膨胀后体积就能增加30%以上。膨胀均匀，造孔均一，可控性强，非常适合于高端的多孔材料进行造孔。
以下是使用Expancel微球进行造孔得出的结果，

a) 孔隙率83.7%体积，孔径40微米                 b) 孔隙率82.4%体积，孔径120微米
从该组图片可以看出，造孔均匀。

4. 使用Expancel微球造孔多孔陶瓷的总结
• 造孔体积比大和具有低有机物
• 微球能被快速和直接地燃烧去除
• 能有效降低多孔陶瓷在烧结过程当中造成的破裂和变形
• 能有效控制多孔陶瓷的孔隙率和孔隙结构
• 能有效降低多孔陶瓷的密度