阅读说明：本技术 一种陶瓷表面黑色分子吸附层微波烧结制备方法 (Microwave sintering preparation method of black molecular adsorption layer on ceramic surface ) 是由 魏强 潘娅婷 院小雪 张立宪 于 2019-10-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种陶瓷表面黑色分子吸附层微波烧结制备方法,该方法包括对陶瓷基体表面亲水化处理；将分子筛、黑化剂和黑色二氧化钛按比例混合球磨后,均匀溶于去离子水得到涂覆液；将陶瓷浸渍于涂覆液中,形成分子筛/黑化剂涂层；最后将涂覆黑化吸附层的陶瓷置于微波炉中烧结制备。相对于传统的陶瓷表面分子筛膜制备工艺,本发明采用微波烧结工艺在陶瓷基体表面制备分子筛/黑化剂吸附涂层,改良了烧结工艺,制备时间短,成本较低,对环境污染小,吸附特殊密闭环境内的有害气体；该涂层为黑色,可降低光的散射作用；涂层具有一定的吸附能力；涂层结合力不易剥落,无粉末飞扬,具有绿色环保等优点。(The invention discloses a microwave sintering preparation method of a black molecular adsorption layer on a ceramic surface, which comprises the following steps of carrying out hydrophilization treatment on the surface of a ceramic matrix; mixing and ball-milling a molecular sieve, a blackening agent and black titanium dioxide according to a proportion, and uniformly dissolving in deionized water to obtain a coating solution; dipping the ceramic into the coating liquid to form a molecular sieve/blackening agent coating; and finally, placing the ceramics coated with the blackening adsorption layer in a microwave oven for sintering preparation. Compared with the traditional preparation process of the molecular sieve membrane on the ceramic surface, the invention adopts the microwave sintering process to prepare the molecular sieve/blackening agent adsorption coating on the surface of the ceramic substrate, improves the sintering process, has short preparation time, lower cost and little pollution to the environment, and adsorbs harmful gases in a special closed environment; the coating is black, so that the scattering effect of light can be reduced; the coating has certain adsorption capacity; the coating has the advantages of difficult peeling of binding force, no flying of powder, environmental protection and the like.)

一种陶瓷表面黑色分子吸附层微波烧结制备方法

技术领域

本发明涉及无机材料微波烧结领域，具体为一种在陶瓷基体上使用微波烧结技术制备分子筛与黑化剂复合分子吸附涂层的方法。

背景技术

近年来，随着我国经济和社会的快速发展，气体污染问题日益严重。尤其在无法与外界进行物质交换的密闭空间环境中，如汽车、潜艇、空间站等，由于材料放气、设备运行等不可避免地会产生微量有害气体，不断累积后将会发生严重的破坏效果。因此，密闭空间的有害气体问题备受重视。

针对密闭环境中的有害气体，可选用比表面积高、吸附容量大、性能稳定且成本低的吸附剂进行吸附，如活性炭、活性炭纤维和分子筛。相较于机械性能差的活性炭和只能吸附非极性分子的活性碳纤维，由硅氧四面体和铝氧四面体骨架构成的分子筛，其表面具有很大的色散力和静电力，通过其规则的孔道和空腔，分子筛可有效吸附直径小于其孔径的所有有机分子。所以，以分子筛为原料制备的吸附涂层有较大的应用前景。

分子筛吸附涂层性能优异，可吸附大量有害气体，但分子筛涂层呈白色，在仪器镜头等对光线敏感的特殊密闭环境中，无法避免光线散射对仪器镜头等造成的伤害。因此，探究制备黑色吸附涂层的方法成为重要的研究内容。

发明内容

碳黑、碳化硅、碳纳米管等是优异的吸波材料，在微波环境下短时间内可产生大量的热以达到烧结温度，与分子筛以一定比例混合烧结后可形成黑色吸附涂层，吸收杂光以保护密闭环境中的器件。本发明提出的一种陶瓷表面黑色分子吸附层微波烧结制备方法，采用微波烧结工艺在陶瓷基体表面制备分子筛/黑化剂吸附涂层，有效节省时间成本，吸附特殊密闭环境内的有害气体。

本发明目的在于提出一种陶瓷表面黑色分子吸附层，吸附密闭环境内的有害气体分子，吸收并降低杂散光的影响。引入黑色TiO₂，不仅增加黑化效果，并在不引入有机物前提下实现复合粉末在去离子水中的有效分散。采用微波烧结制备方法，快速低成本地实现吸附涂层的烧结制备。黑化剂具有微波吸收特征，在微波作用下，根据偶极子转动极化原理，其分子随电场中正负极变化而产生类似摩擦的运动，分子间迅速产生大量的热，热量传递给分子筛，使得复合材料由内自外加热，从而形成均匀的黑色分子吸附涂层。

为了达到上述目的，本发明提出的一种陶瓷表面黑色分子吸附层微波烧结制备方法，包括以下步骤：

步骤一：陶瓷表面亲水化处理；

步骤二：将分子筛、黑化剂和黑色二氧化钛按质量比为1:5:1-1:8:1.5混合球磨后，均匀溶于去离子水得到涂覆液；

步骤三：将陶瓷浸渍于涂覆液中，形成分子筛/黑化剂涂层；

步骤四：微波炉中烧结成型。

进一步讲，本发明所述的陶瓷表面黑色分子吸附层微波烧结制备方法，步骤一中，陶瓷表面亲水化处理采用30-65℃，10-50％硝酸溶液浸泡；或是采用以浓度为20-100％的氧为气源的射流低温等离子体处理。

步骤二中，所述分子筛是X型、A型和ZSM型中任何一种或多种的混合。所述黑化剂是碳黑、碳化硅和碳纳米管中的任何一种或多种的混合。

步骤四中，微波加热的频率为0.9GHz-5.8GHz，微波烧结的时间为72s-480s。

与现有陶瓷表面分子吸附涂层相比，该分子筛/黑化剂复合黑色分子吸附涂层，具有以下优势：

(1)该黑色分子吸附涂层的制备对设备要求低，原材料价格低廉，且操作过程简单易行；

(2)该黑色分子吸附涂层减少了烧结时间，微波烧结使涂层内部结构更加均匀，增加了涂层与陶瓷表面的结合力；

(3)该黑色分子吸附涂层保证了分子筛的吸附性能，减少了光的散射作用，有效增加了其在光学、航天等领域应用的可能性。

附图说明

图1为陶瓷基黑色分子吸附涂层宏观图；

图2为实施例1中的黑色分子吸附涂层X射线衍射分析图；

图3为实施例1中的黑色分子吸附涂层吸附测试等温吸脱附曲线图，其中1是N₂吸附曲线；2是N₂脱附曲线。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

本发明陶瓷表面黑色分子吸附层微波烧结制备方法，主要包括：

陶瓷表面亲水化处理：可采用30-65℃，10-50％硝酸溶液浸泡，也可采用以氧浓度20-100％为气源的射流低温等离子体；

配置涂覆液：称取分子筛、黑色和黑色TiO₂，其质量比在1:5:1-1:8:1.5范围，球磨后溶于去离子水并搅拌均匀，其中，所述黑化剂是黑色碳化硅，涂覆液各组分的配比可以控制最终在陶瓷表面形成厚度小于3μm的黑色分子吸附涂层。

将陶瓷浸渍于涂覆液中，形成分子筛/黑化剂涂层；

微波炉中烧结成型，微波加热频率为0.9GHz-5.8GHz，微波加热时间为72s-480s，最终在陶瓷表面形成厚度小于3μm的黑色分子吸附涂层。

实施例1

一种用于堇青石陶瓷上的黑色分子吸附涂层的制备，包括以下步骤：

将整块堇青石陶瓷切割成实验所需尺寸后清水冲洗，在110℃烘箱中干燥1h；取出后用去离子水超声10min，再次放入110℃烘箱中干燥1h；在45℃的条件下，用10％硝酸溶液浸泡堇青石陶瓷30min，去离子水超声10min后在110℃烘箱中干燥12h；取出干燥后的样品待用。

取0.64g5A分子筛、5.12g黑色SiC粉末、0.096g黑色TiO₂干法球磨6h，得到混合均匀的粉末。将粉末溶于8ml去离子水中，磁力搅拌3h，得到涂覆液。

将堇青石陶瓷浸泡于涂覆液中，超声5min，取出后用空气压缩机吹落多余的涂覆液，使陶瓷孔洞保持通透状态。

将样品放入微波炉中，调节频率为2.45GHz，微波加热180s，静置到常温后得到堇青石陶瓷上的黑色分子吸附涂层，黑色分子吸附涂层的厚度为2μm。

从堇青石陶瓷的黑色分子吸附涂层宏观图(图1所示)中可直接看到堇青石陶瓷被黑色涂层完全覆盖，涂覆均匀，可以有效降低光的散射作用，且烧结效果好，涂层经剧烈震动也不会掉落。

从黑色分子吸附涂层的X射线衍射分析图(图2所示)中可以看到，由于XRD设备的探测深度远超涂层厚度，所以对比PDF卡片得知，图中2θ＝10.54°、18.20°和29.96°处的衍射峰为堇青石陶瓷的特征峰。2θ＝35.89°、60.17°和71.94°为SiC的三强峰，这说明在球磨和微波烧结的过程中SiC的晶型并未发生改变，保持了原来的晶体结构特征。

由涂层吸附测试等温吸脱附曲线图(图3所示)中可以看出，相对气压较低时吸附量随气压的增高而逐渐增大，当相对气压超过0.8时吸附量急剧升高，表现出IV型等温线并带有H3形状的滞后环，说明涂层具有典型的介孔结构。经计算得出该涂层的比表面积为13.1785m²/g，孔径大小的平均值为6.6893nm，与原始5A分子筛的孔径相比略有增大，但仍具有较好的吸附效果。

实施例2

一种用于氧化锆陶瓷上的黑色分子吸附涂层结构的制备，包括以下步骤：

将整块氧化锆陶瓷切割成实验所需尺寸后清水冲洗，在110℃烘箱中干燥1h；取出后用去离子水超声10min，再次放入110℃烘箱中干燥1h；采用氧浓度为90％气源进行射流低温等离子体处理，单位面积处理20s。

取0.64g5A分子筛、5.12g碳纳米管粉末和0.64g黑色TiO₂干法球磨6h，得到混合均匀的粉末。将粉末溶于8ml去离子水中，磁力搅拌3h，得到涂覆液。

将氧化锆陶瓷浸泡于涂覆液中，超声5min，取出后用空气压缩机吹落多余的涂覆液，使陶瓷孔洞保持通透状态。

将样品放入微波炉中，调节频率为0.9GHz，微波加热480s，静置到常温后得到氧化锆陶瓷上的黑色分子吸附涂层，黑色分子吸附涂层的厚度为3μm。

实施例3

一种用于氧化铝陶瓷上的黑色分子吸附涂层结构的制备，包括以下步骤：

将整块氧化铝陶瓷切割成实验所需尺寸后清水冲洗，在110℃烘箱中干燥1h；取出后用去离子水超声10min，再次放入110℃烘箱中干燥1h；在60℃的条件下，用30％硝酸溶液浸泡氧化铝陶瓷30min，去离子水超声10min后在110℃烘箱中干燥12h；取出干燥后的样品待用。

取1g13X分子筛、6g炭黑粉末和1.2g黑色TiO₂干法球磨5h，得到混合均匀的粉末。将粉末溶于8ml去离子水中，磁力搅拌3h，得到涂覆液。

将氧化铝陶瓷浸泡于涂覆液中，超声5min，取出后用空气压缩机吹落多余的涂覆液，使陶瓷孔洞保持通透状态。

将样品放入微波炉中，调节频率为5.8GHz，微波加热72s，静置到常温后得到氧化铝陶瓷上的黑色分子吸附涂层，黑色分子吸附涂层的厚度为1μm。

实施例4

一种用于堇青石陶瓷上的黑色分子吸附涂层结构的制备，步骤如下：

将整块堇青石陶瓷切割成实验所需尺寸后清水冲洗，在110℃烘箱中干燥1h；取出后用去离子水超声10min，再次放入110℃烘箱中干燥1h；在45℃的条件下，用10％硝酸溶液浸泡堇青石陶瓷30min，去离子水超声10min后在110℃烘箱中干燥12h；取出干燥后的样品待用。

取0.75g5A分子筛、5.25g黑色SiC和1.2g黑色TiO₂粉末干法球磨6h，得到混合均匀的粉末。将粉末溶于8ml去离子水中，磁力搅拌3h，得到涂覆液。

将堇青石陶瓷浸泡于涂覆液中，超声5min，取出后用空气压缩机吹落多余的涂覆液，使陶瓷孔洞保持通透状态。

将样品放入微波炉中，调节频率为2.45GHz，微波加热180s，静置到常温后得到堇青石陶瓷上的黑色分子吸附涂层，黑色分子吸附涂层的厚度为2μm。

实施例5

一种用于堇青石陶瓷上的黑色分子吸附涂层结构的制备，步骤如下：

本实施例提供的黑色分子吸附涂层结构是采用以下方法制备而成的：

将整块堇青石陶瓷切割成实验所需尺寸后清水冲洗，在110℃烘箱中干燥1h；取出后用去离子水超声10min，再次放入110℃烘箱中干燥1h；在45℃的条件下，用10％硝酸溶液浸泡堇青石陶瓷30min，去离子水超声10min后在110℃烘箱中干燥12h；取出干燥后的样品待用。

取0.85g5A分子筛、5.14g黑色SiC和0.64g黑色TiO₂粉末干法球磨6h，得到混合均匀的粉末。将粉末溶于8ml去离子水中，磁力搅拌3h，得到涂覆液。

将堇青石陶瓷浸泡于涂覆液中，超声5min，取出后用空气压缩机吹落多余的涂覆液，使陶瓷孔洞保持通透状态。

将样品放入微波炉中，调节频率为2.45GHz，微波加热180s，静置到常温后得到堇青石陶瓷上的黑色分子吸附涂层，黑色分子吸附涂层的厚度为2μm。

本发明制备方法相对于传统的陶瓷表面分子筛膜制备工艺，本发明改良了烧结工艺，制备时间短，成本较低，对环境污染小；该涂层为黑色，可降低光的散射作用；涂层具有一定的吸附能力；涂层结合力不易剥落，无粉末飞扬，具有绿色环保等优点。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。