[发明专利]一种具有孔隙率连续梯度的多孔材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种具有孔隙率连续梯度的多孔材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将体积分数为50‑70％的粉体原料与体积分数为30‑50％的去离子水混合，然后加入溶胶，球磨得到浆料A；(2)配置与步骤(1)中相同的水溶胶B；(3)每隔一定时间，向浆料A中添加水溶胶B得到混合浆料，维持所述混合浆料中的固相含量在0‑70vol％范围内连续变化，每次添加完水溶胶B后，输入到3D打印机中打印，保持喷嘴处的所述混合浆料固化为凝胶；(4)将形成的凝胶沿梯度方向进行冷冻处理，烧结后形成孔隙率连续梯度的多孔材料。本发明的有益效果在于，工艺简单、稳定性和重复性较好，且通过连续调节浆料固相含量，并结合3D打印，形成固含量连续梯度变化的凝胶。

技术领域

本发明涉及多孔材料的制备方法，具体涉及一种具有孔隙率连续梯度的多孔材料及其制备方法。

背景技术

具有孔隙率梯度的多孔材料是属于功能梯度材料的重要一员，其主要特征是气孔率随着试样尺寸作规则变化。梯度多孔材料最早用于过滤、气体分离、除尘等领域，与传统的具有均匀孔隙率的多孔材料相比，能最大限度地提高效率和节省能源消耗。在该过滤分离领域，随着过滤精度的提高，要求多孔材料的孔径越来越小，然而这导致流体透过材料的阻力增大，降低了其透过率。传统的多孔材料已经不能满足高精度过滤分离的需求，而孔隙度沿厚度方向呈梯度变化的多孔材料能够很好地解决提高过滤精度与提高透过率之间的矛盾。从流体动力学角度分析，连续孔结构阻力比突变梯度孔结构的阻力小，因此，连续变化梯度孔结构是更好的梯度孔结构，连续梯度的多孔材料具有更广泛的应用前景。随着梯度多孔材料研究的发展，其用途越来越广泛，如应用在复合材料多孔预制体、催化剂载体、传感器以及人造骨等仿生材料领域。

梯度多孔材料的制备方法较多，主要有颗粒级配堆积工艺、喷涂工艺、有机泡沫浸渍工艺、多孔基体化学沉积工艺、发泡工艺、共沉降方法、离心法以及压滤成型等工艺。然而，现有的制备方法还存在着以下几个主要问题：1、大部分传统方法制备的梯度材料具有阶梯气孔率梯度，难以实现孔隙率的连续梯度变化，从而不能最大化地发挥梯度多孔材料的功能；2、孔隙率梯度可调节范围较小，不能实现低孔隙率(0％)到高孔隙率(80％以上)的不同梯度形式变化，限制了其应用范围；3、还没有一种具有普适的制备方法，能够满足金属、陶瓷等不同梯度多孔材料的制备；4、传统方法工艺复杂，生产工艺稳定性和可再现性差，多孔材料孔结构难以控制，难以实现批量化生产。鉴于此，急需开发一种孔隙率梯度可调节范围大、通用性好的制备孔隙率连续梯度的多孔材料的方法。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决上述问题，本发明采用的技术方案在于，一方面提供一种具有孔隙率连续梯度的多孔材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将体积分数为50-70％的粉体原料与体积分数为30-50％的去离子水混合，然后加入溶胶，在其溶胶温度范围内球磨得到浆料A，其中，所述溶胶在一定条件下能够转变为凝胶，所述溶胶与所述去离子水的质量比为0.01-0.15:1；(2)配置与所述步骤(1)中相同的水溶胶B，其组成中的溶胶与去离子水的质量比与所述步骤(1)中的比例相同；(3)每隔一定时间，向所述浆料A中添加所述水溶胶B得到混合浆料，维持所述混合浆料中的固相含量在0-70vol％范围内连续变化，每次添加完所述水溶胶B后，将所述混合浆料输入到3D打印机中打印，保持所述3D打印机的喷嘴处的所述混合浆料固化为凝胶；(4)将所述步骤(3)形成的凝胶沿固相含量梯度方向进行冷冻处理，冷冻温度为-196-0℃，然后进行冷冻干燥，获得多孔材料坯体，将其烧结后形成孔隙率连续梯度的多孔材料。

进一步，所述粉体原料包括Ti、Zr、Al、Si、Cu、Ag、Fe、Ni或Mo中任意一种不与水剧烈反应的金属粉体或陶瓷粉体或有机材料粉体。

进一步，所述步骤(1)中的溶胶为温度控制的溶胶，其在低温下能够转变为凝胶，其为明胶、琼脂糖、壳聚糖与明胶的混合物或海藻酸钠与明胶的混合物中的任意一种。