[发明专利]一种利用微流体装置制备二氧化锆陶瓷微球的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用玻璃毛细管搭建的微流体器件制备二氧化锆陶瓷微球的方法，属于材料合成与成形技术领域。

背景技术

ZrO₂陶瓷材料具有极好的耐高温、耐磨损、耐化学腐蚀性能，作为增强剂其被广泛地用于切割工具、结构材料中。该材料还具有半导体特性、生物亲和性、氧敏感性，因此其还被用于制作压电陶瓷，记录材料等。此外，ZrO₂陶瓷现还作为模板用于开发能增加反应效率和安全性的UO₂微球，以其作为下一代核能材料。因此，ZrO₂陶瓷微球在工程、生物、能源等领域有大量的需求。

传统方法诸如振动分散法，搅拌乳化法，聚合诱导胶体聚集法都被用于制备ZrO₂微球。对于振动分散法，锆的前躯体从喷口喷出形成液滴，在其下坠的过程中由于受到重力及空气阻力的影响，在凝胶过程中，液滴的形状会发生变化，所得的凝胶微球尺寸均一性和球形度较差。对于搅拌乳化法，两种不相容的液相在容器中被搅拌混合，由于容器中各处机械剪切力不均匀，使得之后形成的液滴尺寸相差较大。对于聚合诱导胶体聚合法，二氧化锆胶体粒子的尺寸可由PH值较好地控制，但在烧结后，其最终形成的陶瓷微球是多孔的。因此，尽管在工程及能源领域有着大量的需求，单分散且具有高球形度的陶瓷微球仍然难以制备。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用微流体装置制备二氧化锆陶瓷微球的方法，利用微流体通道系统制备出尺寸均一，球形度良好的二氧化锆陶瓷微球，可广泛应用于原子笔芯头、微小轴承等耐磨应用场合，也可作为模板制备高温气冷核反应堆燃料核芯。

本发明的技术方案如下：

一种利用微流体装置制备二氧化锆陶瓷微球的方法，其特征在于：所述装置包括圆锥入射管、圆锥收集管和方管，圆锥入射管和圆锥收集管分别从方管两端插入并同轴布置，圆锥入射管和圆锥收集管的两个锥口相对且留有间隙，圆锥入射管锥口小于圆锥收集管锥口；该制备方法包括以下步骤：

1）将配制好的二氧化锆前驱体溶胶作为内相流体从圆锥入射管注入，中间相流体从方管的一端沿着圆锥入射管外壁与方管内壁的间隙流入；连续相流体从方管另一端沿着圆锥收集管外壁与方管内壁的间隙流入；将内相流体流量调节至200-300μL/h，中间相流体流量调节至300-850μL/h，连续相流体流量调节至2500-3500μL/h，所述中间相流体与内相流体不相容，与连续相流体也不相容，三相流体在圆锥收集管端口处汇集后，形成含有双乳化液滴的流体从圆锥收集管流出；

2)将含有双乳化液滴的流体加热固化，加热温度为70～80℃，加热结束后，在连续相流体中加入与连续相流体同体积的碱性溶液并混合均匀，然后放置至白色凝胶微球生成，碱性溶液的氢氧根离子浓度为2.5-4.5mol/L；

3)将反应结束后的白色凝胶微球转移至培养皿中，使用去离子水对其进行反复冲洗，直至白色凝胶微球表面油层被冲洗除去；

4）将去除油层后的白色凝胶微球转移至另一培养皿中，倒入水与醇混合溶液，对颗粒进行初步脱水，水与醇的体积比为1：1～4；然后移除混合溶液，再使用未稀释的醇对颗粒进行深度脱水；

5）将脱水后的白色凝胶微球放入恒温箱内烘干，烘干后的白色凝胶微球转移到坩埚中，在保护气体中逐步升温至1400～1600℃进行烧结，获得平均直径为62～80μm的二氧化锆陶瓷微球。

本发明所述的连续相流体采用水性溶液，中间相流体采用油性溶液。所述水性溶液为聚乙烯醇水溶液；油性溶液采用以道康宁749溶液为表面活性剂的硅油。所述的碱性溶液采用氨水。所述的醇为异丙醇或无水乙醇。所述的保护气体为氩气。

本发明所述二氧化锆前驱体溶胶以氧氯化锆或硝酸锆中的一种作为锆源，以丙烯酰胺、N，N亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵、尿素、聚乙烯醇、柠檬酸为凝胶助剂，以硝酸钇、四氢糠醇或所述两者的混合液作为凝胶与烧结时的稳定剂，其中，锆离子的摩尔浓度为1～1.5mol/L，锆离子、尿素、柠檬酸和硝酸钇的摩尔比为1：2～2.5：0.05～0.1:0.03～0.05，聚乙烯醇、四氢糠醇、丙烯酰胺、N，N亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵的质量浓度分别为8～10wt%、1～1.2wt%、2.5～3.5wt%、0.1～0.2wt%和0.15～0.2wt%。

本发明具有以下优点及突出性的技术效果：

①微流体装置结构简单、小巧。微流体装置由毛细玻璃管、针头、载玻片搭建，装置最终可集成于一片载玻片上。