多孔陶瓷材料的制备方法及该方法得到的多孔材料与流程

本发明涉及电子烟领域，尤其涉及一种雾化芯用多孔陶瓷材料的制备方法及该方法制备得到的多孔材料。

背景技术：

通过雾化芯加热雾化等手段，将含有尼古丁等的雾化液变成气溶胶的装置是一种模仿香烟的电子产品，产生的气溶胶具有与香烟近似的烟雾、味道和感觉。这种通过雾化产生的含尼古丁气溶胶不含普通香烟烟气中普遍存在的焦油等有害致癌物质，被认为是一种有利于传统烟民身体健康的香烟替代品。同时这种电子装置具有便携性好，不会产生明火，也不产生二手烟且环保的特点，受到很多吸烟人士的青睐。

气溶胶产生装置的加热雾化技术，目前广泛采用的主要有两类：1)以棉花或纤维束作为导油体，将电热丝缠绕其上直接加热烟油而使之雾化；2)以蜂窝陶瓷作为导油体，采用电热丝或电热带等方式加热而使烟油雾化。

具备良好高温耐受能力的多孔陶瓷，是现阶段电子烟业界制造雾化芯的一种首选材料。其通常是由骨料、粘结剂及造孔剂等组分烧结而成的多孔陶瓷，多孔陶瓷内部具有彼此贯通并与材料表面连通的大量孔道结构，具有化学性质稳定、导热性低以及耐高温耐腐蚀等优良性能，在生物、能源、环保等领域有着众多应用。

电子烟陶瓷雾化芯的制造，目前大都使用高温烧结类陶瓷作为骨料，例如号码为wo2015192300a1、cn05294140b的相关专利，以三氧化二铝、二氧化硅等作为骨料，烧结温度在1000～1400℃。通常设置在陶瓷雾化芯靠近表面的内部的电热丝或设置在雾化面的电致发热材料多为镍铬合金或者铁铬铝合金等，其在1000℃以上时软化并严重变形；为此，必须加入玻璃粉等助剂，降低陶瓷的烧结温度，低温烧制雾化芯，而玻璃粉烧结助剂的引入，难免会引入铅等有害金属元素。

麦饭石是一种天然的硅酸盐类多孔材料，主要产地在我国，目前广泛用于水处理和家用炊具等方面，主要利用其天然的多孔微结构特性和富含多种健康有益元素的特性。麦饭石号称“东方神石”、“药石”；早在明代，李时珍所著《本草纲目》就有明确记载。现代科学分析结果表明，麦饭石颗粒的微观结构象海绵一样多孔，具有生理活性又有吸附作用和离子交换作用，并含有人体不可缺少的矿物元素。cn105768230a采用含有麦饭石的陶瓷管作为醒烟器，降低香烟烟气中的焦油等有害物质。在电子烟领域，cn205512363u将麦饭石作为可选方案用于吸附烟气通道的烟油；cn105813815a将麦饭石作为可供选择的一种陶瓷基体材料用于制备电子烟用多孔陶瓷发热体，但是该专利申请的陶瓷体烧成温度仍然高达1100℃-14℃以上，且并未揭示麦饭石等天然矿石材料作为主要的陶瓷骨架材料对形成多孔陶瓷材料的有利作用。

雾化芯是电子烟中产生气溶胶烟雾的核心部件，对多孔陶瓷的吸油能力、锁油能力、导油能力要求极高。未使用的新品市售电子烟，放置一段时间以后，其空气进口以及烟气出口常常可见渗漏出的烟油，因而，需要开发具有优异的吸油、锁油、导油能力，且防止漏油的雾化芯。

此外，现有的制造多孔陶瓷所用的原材料以及制造方法，尤其是使用助剂将高温烧结类陶瓷低温烧制方法，一方面很难兼顾强度、孔隙率以及微孔尺寸分布等基本参数；另一方面，随助剂带入的铅、镉等有害元素，在雾化芯接近300℃的工作温度下，将析出并随蒸汽烟雾进入人体，背离了电子烟减害的设计宗旨。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提出通过使用麦饭石作为主要的基体材料，制备雾化芯用多孔陶瓷材料的制备方法以及利用该方法制备得到的多孔陶瓷材料。

第一方面，本发明提供一种雾化芯用多孔陶瓷的制备方法，以麦饭石为骨料，包括以下步骤：

s1:将陶瓷基料和稳定剂混合均匀，得到主料干粉；其中，所述陶瓷基料包含至少50wt％的麦饭石，以陶瓷基料总重量计；

s2：在主料干粉中加入造孔剂并混合均匀，得到前驱体混合料；

s3：将前驱体混合料成型获得陶瓷坯体；

s4：烧结所述陶瓷坯体得到多孔陶瓷。

进一步的，所述陶瓷基料还包含六环石、硅藻土、钾长石、钠长石和锂云母中的至少一种。

进一步的，所述稳定剂为硅酸钠和/或羧甲基纤维素钠。

进一步的，所述造孔剂为粉末和/或短纤维，例如，选自木材、竹、碳、有机材料例如聚甲基丙烯酸甲酯中的任一种。

进一步的，s1步骤中还添加金属银粉，得到含银的主料干粉。

进一步的，前驱体混合料中含有0.5wt％-4wt％的稳定剂，0-60wt％的金属银粉，2.5wt％-35wt％的造孔剂以及余量的陶瓷基料，以前驱体混合物总重量计。

进一步的，陶瓷基料中包含六环石5～10wt％、硅藻土5～10wt％、长石5～12wt％、锂云母3～8wt％，以陶瓷基料总重量计。

进一步的，所述成型包括模压成型。

进一步的，所述烧结的烧结温度低于1000℃。

进一步的，所述烧结包括将所述陶瓷坯体升温至450～550℃保温0.5～3小时，再升温至800～950℃保温烧结0.3～2小时。

上述多孔陶瓷的制备方法，采用天然麦饭石作为多孔陶瓷的骨料，可以在常规大气条件下于常压下烧制成型，烧结的条件温和，无需引入低熔点的玻璃粉等助剂，直接在低温条件下烧制成型，作为电子烟雾化芯材料使用，有毒元素零释放。

麦饭石的颗粒本身即具有大量的微孔、介孔结构，再加上本发明提供的450～550℃保温0.5～3小时、再升温至800～950℃保温烧结0.3～2小时的两步法烧制流程，确保了多孔陶瓷的微观结构完整性，可以获得90％以上的孔隙率，同时具备20mpa以上的抗弯强度。

原料混合可以采用常见的陶瓷原料混合工艺，例如，球磨，搅拌，捏合等方式；磨球可以采用陶瓷和/或金属材料，例如zro2磨球、氮化硅磨球、氧化铝磨球、硬质合金磨球等，其球料比，磨球直径级配本领域技术人员可以通过实验容易地确定，只要能够将陶瓷原料混合均匀即可。适当地，球磨过程可以采用干式球磨，也可以采用湿式球磨，例如加入乙醇，水。

在一些实施例中，陶瓷原料可以选择市售的200～500目粒度粉体，或者也可以用天然矿石，加工成200-500目的粉末备用。

在一些实施例中，陶瓷原料混合前或混合后料优选地过50-300目筛，过筛可以有效的打碎混合过程形成的团聚，并防止大颗粒在混合物中存在而影响材料的孔隙分布。

造孔剂具有本领域通常的含义，其占据陶瓷坯体空间，并在升温、烧结过程中，逐步分解和/或气化，形成微观孔隙结构。在一些实施例中，所述造孔剂为木纤维、短碳纤维、碳粉、聚甲基丙烯酸甲酯粉末等。在一些实施例中，所述木纤维及所述短碳纤维的直径为20～100μm，长度为60～500μm，碳粉、聚甲基丙烯酸甲酯粉末的粒度为50～500目。孔剂分解产生的微观孔隙结构与麦饭石微粒本身所具备的介孔结构，共同构成多孔陶瓷的微观复合孔隙结构。

前驱体混合料优选进行干燥，例如采用真空干燥、冷冻干燥等除去水份。

在一些实施例中，前驱体混合料可采用加热塑化模压成型，例如将前驱体混合料过筛后，于130～180℃加热塑化模压成型得到陶瓷坯体，成型压例如在0.6mpa～35mpa。在一些实施例中，所述前驱体混合料的成型，采用配入去离子水等液体练泥成型及其它常规方法成型。

在一些实施例中，所述烧结的升温速率为10℃～100℃/min。

在一些实施例中，基于多孔陶瓷器件的应用目的，所述多孔陶瓷的孔隙率可以在10％～90％范围内调整，平均孔径可以在10μm～150μm范围内调整。在一些实施例中，所述调整例如可以通过造孔剂添加量和造孔剂粒度选择进行。

本发明的另一个方面，在于所述制备方法得到的多孔陶瓷材料。

本发明的另一个方面，在于多孔陶瓷材料在电子烟雾化器中的应用。

附图说明

图1是本发明所述电子烟雾化芯专用多孔陶瓷的制造流程示意图；

图2本发明所述电子烟雾化芯专用多孔陶瓷的烧制工艺曲线示例；

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明做进一步详细说明。实施例仅限于对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，而非对本发明的限定。

本发明的目的是：提供有益于人体健康并具备优异吸油、锁油和导油能力的多孔陶瓷材料的制备方法、多孔陶瓷及其在电子烟雾化芯中的应用。

请参阅图1，雾化芯用多孔陶瓷的制造流程，包括以下步骤:

步骤s1，陶瓷主料的混合研磨制备步骤。将200～500目粒度的中华麦饭石、六环石、硅藻土、钾长石、钠长石、锂云母、硅酸钠和/或羧甲基纤维素钠、可选地金属银粉配制共混，再与去离子水、zro2磨球按质量比1:2:3混合，在行星式球磨机上球磨1～8小时，得到主料干粉。

混合也可以采用滚筒球磨机。当然，还可以采用其它方式混合，前提是确保这几种原材料混合均匀，例如可以使用捏合机或搅拌机搅拌干混30分钟～2小时。

硅酸钠、羧甲基纤维素钠均为分析纯。

金属银粉的配入，主要目的是赋予多孔陶瓷消毒杀菌的功能，其优选配入质量比为0～60wt％。具体的配入质量比，依据实施例所需制造的多孔陶瓷部件的功能属性，而优选确定。

步骤s2，造孔剂配入及前驱体混合料的获得步骤。将造孔剂配入主料干粉中，继续球磨3～10小时之后，置于干燥箱中于90℃烘干，得到前驱体混合料。

造孔剂可以为木纤维、短碳纤维、碳粉、聚甲基丙烯酸甲酯粉末等任一种。优选地，造孔剂的用量为5～70wt％，根据所制造的目标构件的孔隙率和平均孔径而作优选调整。

优选地，木纤维及短碳纤维的直径为20～100μm，长度为60～500μm，碳粉、聚甲基丙烯酸甲酯粉末的粒度为50～500目。优选地，聚甲基丙烯酸甲酯粉末为分析纯。

前驱体混合物的烘干去水，当然也可以采用真空干燥、冷冻干燥等除去水份的其它方法。

步骤s3，塑化热压制备前驱坯体型材的步骤，将上述前驱体混合物过筛后，于130～180℃加热塑化模压成型得到前驱坯体型材。

加热塑化模压成型，在0.6mpa～35mpa下进行。

也可以采用在前驱体粉末中加入去离子水等液体练泥成型及其它方法成型。

优选地，前驱体粉末与去离子水的质量比例为3：1～6：1。练泥后也可以在0.6mpa～35mpa压力下模压成型，例如，将前驱体混合物与去离子水混合后得到练泥料，装入方形片状模具中，在0.6mpa～35mpa的压力下压制成陶瓷坯体。坯体的形状结构，取决于目标制品的属性，不限于方形片状。

步骤s4，陶瓷坯体经由两段升温程序烧制成为多孔陶瓷的步骤。将所述前驱坯体型材在电阻炉中升温至450～550℃保温0.5～3小时，再升温至800～950℃保温烧结0.3～2小时，获得多孔陶瓷。请参阅图2所示多孔陶瓷构件的烧制工艺曲线示例。

也可以采用其它加热升温烧制方式，比如燃气加热及其配套的陶瓷烧制炉窑等。

优选地，前驱坯体型材在450～550℃保温0.5～3小时的步骤以及800～950℃保温0.3～2小时的步骤中，升温速率为10℃～100℃/min。

本实施例中，在450～550℃以及800～950℃的保温烧结均在大气条件和常压下进行。

通过控制调整原料比例，可以得到不同孔隙率和银含量的多孔陶瓷，例如如下实施例所述。

实施例1：

根据上述配方将原材料按所需比例配粉，再与去离子水、zro2磨球按质量比1:2:3混合，在行星式球磨机上球磨18小时，置于干燥箱中烘干，经练泥后制成片状型材(湿法)，参照图2烧结工艺曲线进行烧制。

也可以通过热塑挤出成型工艺(干法)，制成所需型材，烧制成目标陶瓷。

在进气端原料中配入1wt％金属银粉的目的是赋予材料消毒杀菌的功能。

所制得的麦饭石基陶瓷多孔材料料其孔隙率为40～60％、平均孔径20～30微米。

实施例2：

在原料中配入≤0.5wt％金属银粉的目的是赋予导油体材料消毒杀菌的功能，微量的银对导油体的电绝缘性能的改变可以以忽略不计。

其余工艺参数与实施例1的制造工艺相同。

所制得的麦饭石基多孔陶瓷材料，其孔隙率不低于85％、平均孔径60～70微米。

实施例3：

在原料中配入8wt％金属银粉的主要目的是利用熔融的金属银强化麦饭石等陶瓷微粒之间的微观连结，从而提高材料的整体强度，并赋予多孔陶瓷一定的导电能力。从微观来看，200～500目的金属银粉和麦饭石微粒的熔点均较低，均在700～800℃之间，能够实现共烧结。

除第二阶段的烧结温度采用950℃保温烧结2小时以外，其余工艺参数与实施例1相同。

所制得的麦饭石基多孔陶瓷，其孔隙率不低于80％、平均孔径50～69微米、厚度0.5mm。

麦饭石颗粒本身即具有大量的微孔、介孔结构，只需配入一定的造孔剂量，通常即可以获得不低于80～90％的孔隙率，同时具备20mpa以上的弯折强度。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

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