一种改性陶瓷母粒及其制备方法与流程

本发明涉及材料科学，具体涉及一种改性陶瓷母粒及其制备方法。

背景技术：

1、改性陶瓷是一种通过元素掺杂、复合材料技术、表面改性、工艺优化或纳米技术等方法对传统陶瓷材料进行性能提升的处理技术。这些改性方法可以改善陶瓷的机械强度、耐磨性、耐高温性、耐腐蚀性和电性能等。例如，通过在陶瓷中掺入稀土元素或其他金属元素，可以改变其晶体结构和化学组成；利用纳米材料的高比表面积和活性，可以通过纳米复合提高陶瓷的性能；表面改性技术如涂层或化学处理可以增强陶瓷的耐磨性和耐腐蚀性；而优化烧结工艺和热处理过程则可以控制陶瓷的微观结构，如晶粒大小和孔隙率，从而提高其整体性能。改性陶瓷的应用领域广泛，涉及航空航天、汽车工业、电子器件、生物医学和能源等多个行业，为现代工业和科技发展提供了重要的材料支持。

2、改性陶瓷母粒是一种特殊的添加剂，它通过物理或化学方法对陶瓷材料进行改性处理，以改善或增强陶瓷的性能。这些改性处理可能包括提高陶瓷的机械强度、耐磨性、耐高温性、耐腐蚀性、电性能等。改性陶瓷母粒通常由高浓度的颜料粒子、分散助剂和添加剂组成，它们在陶瓷制品的生产过程中起到了至关重要的作用。改性陶瓷母粒的应用范围广泛，可以用于塑料容器、电线电缆、汽车零部件、玩具等行业。它们在塑料工业中发挥着重要作用，通过添加到塑料中，可以改善塑料的物理和化学性质，使其具备更加优异的性能。例如，改性色母粒可以提供丰富的色彩选择，同时具有优异的耐光、耐洗、耐高温等特性。

3、改性陶瓷母粒在航空航天、电子能源、环保安全等领域展现出其独特的应用价值，如用于制备耐高温、轻质且抗氧化烧蚀的热结构材料，以及具有难燃级特性的环保橡塑制品。然而，这些材料在实际应用中仍面临诸多挑战，包括陶瓷固有的脆性和低韧性问题，以及在烧结和极化过程中的困难。此外，超高温陶瓷复合材料的氧化层稳定性问题在高温或高低温循环条件下尤为突出。制备工艺的复杂性和成本问题也是限制其广泛应用的因素之一，特别是某些稀土元素的高成本和市场稀缺性。环境影响评估同样不可忽视，因为生产过程中可能产生的污染需要得到妥善管理。未来的研究需要在提高材料性能的同时，考虑环境可持续性，以克服这些挑战。

技术实现思路

1、综上所述，为了满足市场的需要，本发明提出一种改性陶瓷母粒及其制备方法，能显著改善目前存在的上述问题。

2、一种改性陶瓷母粒，由以下重量份的组分组成：陶瓷基体90-100份、活性成分3-5份、聚乙烯醇0.8-1.2份、二氧化硅纳米粒子0.3-0.7份。

3、优选的，所述改性陶瓷母粒由以下重量份的组分组成：陶瓷基体95份、活性成分4份、聚乙烯醇1份、二氧化硅纳米粒子0.5份。

4、在这种改性陶瓷母粒的配方中，陶瓷基体作为主要成分，通常由氧化铝、氧化锆或碳化硅等高性能陶瓷材料构成，提供了高硬度、耐磨性、耐高温和耐腐蚀性等基本物理和化学性质。活性成分，如千金藤素和银纳米粒子，被添加以赋予母粒特定的生物活性或功能性，如抗炎、抗病毒和抗菌特性，这些活性成分在陶瓷基体中均匀分散，增强了材料的功能性。聚乙烯醇作为分散剂和稳定剂，有助于提高活性成分在陶瓷基体中的分散性，防止团聚，确保产品的均匀性和一致性，同时在烧结过程中可能留下的微小孔隙可以作为活性成分的释放通道。二氧化硅纳米粒子作为助熔剂，降低了烧结温度，促进了材料的致密化，提高了机械性能，并且其高比表面积有助于活性成分的分散。这些组分的协同作用使得改性陶瓷母粒在保持陶瓷材料优良特性的同时，具备了特定的生物活性和功能性，适用于医疗、生物医学、环境净化等多个领域。

5、优选的，所述陶瓷基体为氧化铝、氧化锆、碳化硅中的一种或多种。

6、优选的，所述陶瓷基体由以下重量份的组分组成：氧化铝4-8份、氧化锆2-4份、碳化硅0.5-1.5份。

7、优选的，所述陶瓷基体由以下重量份的组分组成：氧化铝6份、氧化锆3份、碳化硅1份。

8、这种由氧化铝、氧化锆和碳化硅组成的复配陶瓷基体，相比常规单一陶瓷基体，展现出了独特的性能特点和优势。首先，这种复配基体结合了氧化铝的高硬度和耐磨性、氧化锆的高韧性和断裂韧性以及碳化硅的高温稳定性和耐腐蚀性，从而提供了一种综合性能更优的材料。这种基体在承受高压力和极端温度条件下表现出卓越的机械强度和耐久性，使其适用于要求极高的工业环境。其次，复配基体的热膨胀系数较低，这意味着在温度变化时，材料的尺寸稳定性更好，减少了因热应力引起的开裂风险。此外，这种基体的致密化程度高，有助于提高材料的耐腐蚀性和抗化学侵蚀能力，使其在化学工业和航空航天领域中具有广泛的应用潜力。最后，复配陶瓷基体的制备过程中，可以通过精确控制烧结条件来优化其微观结构，从而进一步提高材料的整体性能。这些特点使得复配陶瓷基体在高性能陶瓷材料领域中具有显著的竞争优势。

9、优选的，所述陶瓷基体制备方法如下：

10、a1：使用溶胶-凝胶法合成氧化铝、氧化锆、碳化硅纳米粒子，以铝酸异丙

11、酯为氧化铝的前驱体、以四丁氧基锆为氧化锆的前驱体、以四乙氧基硅烷为碳化硅的前驱体,将三种前驱体分别置于不同容器，溶解在无水乙醇中；用于合成纳米级氧化铝的容器为容器a、用于合成纳米级氧化锆的容器为容器b、用于合成纳米级碳化硅的容器为容器c；在三个容器中分别加入100-500ml无水乙醇，搅拌至前驱体溶解后备用；

12、a2：向所述容器a中缓慢加入去离子水，在水解比例(水与前驱体摩尔比)为2.8-3.2:1、搅拌速度为450-550rpm的条件下制备溶胶，将溶胶静置22-26小时得到凝胶a，在75-85℃下真空干燥46-50小时后，将所述凝胶a在950-1050℃的条件下进行煅烧1.8-2.2小时后，在球料比为10-30：1、研磨速度为200-500rpm、研磨压力为0.5-2.0mpa的条件下研磨2-4小时，得到氧化铝纳米粒子；

13、a3：向所述容器b中缓慢加入盐酸，在水解比例为1.8-2.2:1、ph为1.8-2.2、搅拌速度为550-650rpm的条件下制备溶胶，将溶胶静置46-50小时得到凝胶b，在95-105℃下真空干燥70-74小时后，将所述凝胶b在1150-1250℃的条件下进行煅烧2.8-3.2小时后，在球料比为10-30：1、研磨速度为200-500rpm、研磨压力为0.5-2.0mpa的条件下研磨2-4小时，得到氧化锆纳米粒子；

14、a4：向所述容器c中缓慢加入氢氧化钠，在水解比例为0.8-1.2:1、ph为11.8-12.2、搅拌速度为680-720rpm的条件下制备溶胶，将溶胶静置22-26小时得到凝胶c，在118-122℃下真空干燥46-50小时后，将所述凝胶c在1450-1550℃的条件下进行煅烧1.8-2.2小时后，在球料比为10-30：1、研磨速度为200-500rpm、研磨压力为0.5-2.0mpa的条件下研磨2-4小时，得到碳化硅纳米粒子；

15、a5：将制备好的所述氧化铝纳米粒子、氧化锆纳米粒子、碳化硅纳米粒子加入行星式球磨机的球磨罐中，按球料比为18-22:1添加研磨球，加入无水乙醇90-110ml、聚乙烯醇0.8-1.2g，在转速为380-420rpm、球磨时间为22-26小时的条件下进行球磨，球磨完成后在55-65℃条件下干燥22-26小时，得到混合纳米粒子；

16、a6：将所述混合纳米粒子干燥至恒重，装入热压烧结模具中，在烧结温度为1400-1700℃、升温速率为5-10℃/s、保温时间为1-4小时、压力为20-50mpa的条件下，使用高温热压烧结炉进行热压烧结，冷却后得到所述陶瓷基体。

17、所述陶瓷基体制备方法采用了溶胶-凝胶法、球磨混合、热压烧结和等离子体喷涂等前沿技术。溶胶-凝胶法允许在分子水平上精确控制材料的组成，从而获得高纯度和均匀的纳米级粉末。球磨混合技术通过高能球磨实现粉末的超细粉碎和均匀混合，提高了活性成分的分散性。热压烧结技术在较低温度下实现材料的致密化，保持了活性成分的稳定性，同时提高了母粒的机械强度。等离子体喷涂技术则在陶瓷母粒表面形成一层均匀、致密的涂层，增强了表面活性和生物相容性。相比常规工艺，这种制备方法的优势在于能够精确控制材料的微观结构，提高材料的整体性能，同时通过协同作用增强了材料的功能性，如抗菌性能，使其在医疗、生物医学和环境净化等领域具有更广泛的应用潜力。此外，这种方法还有助于提高材料的环境友好性，因为活性成分在陶瓷基体中的封装减少了对环境的直接暴露。

18、优选的，所述活性成分为千金藤素、银纳米粒子、硫酸铜中的一种或多种。

19、优选的，所述活性成分由以下重量份的组分组成：千金藤素3-5份、银纳米粒子2-4份、硫酸铜2-4份。

20、优选的，所述活性成分由以下重量份的组分组成：千金藤素4份、银纳米粒子3份、硫酸铜3份。

21、千金藤素作为一种生物碱，可以通过与细胞膜上的特定受体结合，影响细胞内的信号传导途径，抑制细菌生长或诱导细菌死亡。银纳米粒子能够破坏细菌的细胞膜，导致细胞内容物泄漏，同时银离子可以与细菌的dna、蛋白质和酶等生物大分子结合，干扰其功能，导致细菌死亡。当千金藤素和银纳米粒子共同作用于细菌时，千金藤素可能增强细菌细胞膜的通透性，使得更多的银纳米粒子和银离子进入细胞内部，从而增强抗菌效果。硫酸铜中的铜离子可以作为酶的辅因子，影响细菌的代谢途径。在低浓度下，铜离子可能促进某些细菌的生长，但在较高浓度下，铜离子会抑制细菌生长，因为过量的铜离子会导致氧化应激和dna损伤。当千金藤素与硫酸铜共同作用时，千金藤素可能通过抑制细菌的防御机制，使得铜离子更容易对细菌产生毒性作用，从而增强抗菌效果。银纳米粒子和铜离子都具有抗菌活性，它们可能通过不同的机制破坏细菌的细胞结构和代谢功能。在某些情况下，银纳米粒子和铜离子可能在细菌细胞膜上形成协同作用，共同导致细胞膜的损伤和功能丧失，从而加速细菌死亡。这些协同作用的具体机制可能涉及多种生物化学过程，包括细胞膜的破坏、细胞内信号传导的干扰、代谢途径的抑制以及氧化应激的增加。

22、优选的，所述活性成分制备方法如下：

23、b4：将四乙氧基硅烷和无水乙醇按照1：1-5的料液比混合均匀，按照四乙氧基硅烷：去离子水＝1：1-5的摩尔比加入去离子水作为催化剂，将反应容器封并在150-200℃的温度下加热22-26小时后，让反应容器自然冷却至室温，取出反应液，以10000-15000rpm的速度离心，收集沉淀，使用去离子水洗涤沉淀后在70-80℃真空条件下干燥至恒重，得到二氧化硅纳米粒子；

24、b5：将千金藤素、银纳米粒子、硫酸铜分别配制成0.8-1.2mg/ml的溶液，将所述二氧化硅纳米粒子分散在180-220ml去离子水中，得到二氧化硅纳米粒子悬浮液；将千金藤素溶液、银纳米粒子溶液和硫酸铜溶液加入到二氧化硅纳米粒子悬浮液中，同时使用磁力搅拌器以480-520rpm的速度搅拌，以确保充分混合，在搅拌过程中，缓慢加入0.8-1.2％w/v的聚乙烯醇溶液作为稳定剂，以增强纳米粒子的稳定性，继续搅拌1.8-2.2小时后，离心收集沉淀，在58-62℃的条件下干燥22-26小时，得到复合纳米粒子；

25、b6：将所述复合纳米粒子按照1：48-52的料液比分散在浓度为0.8-1.2％w/v的聚乙烯醇溶液中，使用超声波处理8-12分钟以确保纳米粒子的均匀分散，在室温下搅拌22-26小时后，加入0.08-0.12％v/v的戊二醛作为交联剂，继续搅拌2小时以实现聚乙烯醇的交联；14000-16000rpm离心28-32分钟，去除未反应的聚乙烯醇和交联剂，收集沉淀，洗涤后干燥至恒重，得到所述活性成分。

26、所述活性成分的制备过程中，使用溶胶-凝胶法来合成二氧化硅纳米粒子，这是一种在分子水平上精确控制材料组成的技术，能够产生高纯度和均匀的纳米级粉末。这种方法通过水解和聚合反应，将四乙氧基硅烷转化为二氧化硅纳米粒子，然后通过离心和干燥步骤得到最终产品。接下来，活性成分如千金藤素、银纳米粒子和硫酸铜被配制成溶液，并与二氧化硅纳米粒子混合，形成复合纳米粒子。在这个过程中，聚乙烯醇作为稳定剂加入，以增强纳米粒子的稳定性。最后，通过超声波处理和戊二醛交联，进一步提高复合纳米粒子的稳定性。这种制备方式的优势在于其能够确保活性成分均匀分散在纳米载体中，从而提高其生物活性和稳定性。此外，通过控制纳米粒子的尺寸和表面特性，可以实现对活性成分释放速率的精确调控，这对于药物输送系统和生物医学应用至关重要。

27、优选的，所述一种改性陶瓷母粒制备方法如下：

28、c6：在球磨速度280-320rpm、球料比为8-12:1、球磨时间20-28小时的条件下，将陶瓷基体与活性成分混合，得到混合物，在混合过程中，逐渐加入聚乙烯醇溶液，以提高所述混合物的分散性和稳定性；

29、c7：将二氧化硅纳米粒子加入所述混合物中，继续球磨0.8-1.2小时，以确保其与陶瓷基体和活性成分的均匀混合；

30、c8：将球磨后的混合物在55-65℃的条件下干燥20-28小时至恒重，干燥过程中应保持适当的通风，以防止材料过热；干燥后的混合物通过筛分机进行筛分，以去除过大的团聚物，确保母粒的粒径分布均匀；

31、c9：在升温速率为8-12℃/min、保温时间为1.8-2.2小时、温度为1500-1600℃的条件下，进行热压烧结，以确保材料的致密化和相变；

32、c10：在使用氩气作为工作气体、流量为20-40l/min、气体压力为0.5-1.0mpa、喷涂功率为20-50kw、喷涂距离为8-12mm、喷涂速度为0.5-2m/min、喷涂时间为4-60分钟的条件下进行等离子体喷涂，以提高表面活性和生物相容性；喷涂完成后，让陶瓷母粒在空气中自然冷却，得到一种改性陶瓷母粒。

33、在制备这种改性陶瓷母粒的过程中，首先通过精确的配方设计，确保陶瓷基体、活性成分、聚乙烯醇和二氧化硅纳米粒子按照既定比例混合，这种精确的配方控制有助于实现母粒的预期性能。高能球磨技术的应用，有效地实现了粉末的超细粉碎和均匀混合，这对于提高活性成分的分散性至关重要。热压烧结技术在较低的温度下实现材料的致密化，有助于保持活性成分的稳定性，同时提高母粒的机械强度。此外，等离子体喷涂技术被用于在陶瓷母粒表面形成一层均匀、致密的涂层，这不仅增强了表面活性和生物相容性，还提高了耐磨损和耐腐蚀性能。二氧化硅纳米粒子作为助熔剂，可以降低烧结温度，促进材料的致密化，同时可能提高材料的机械性能。这些前沿技术的应用不仅提高了改性陶瓷母粒的性能，还确保了其在医疗、生物医学、环境净化等领域的广泛应用潜力。

34、综上所述，本发明具有以下有益效果：

35、1.增强的抗菌性能：通过银纳米粒子的广谱抗菌活性与千金藤素的抗炎、抗病毒特性相结合，这种母粒能够提供更强的抗菌效果，对抗多种微生物，包括细菌、真菌和一些病毒。

36、2.改善的生物相容性：硫酸铜中的铜离子在适当浓度下可以促进细胞增殖和组织修复，与千金藤素的生物活性相结合，可能提高材料的生物相容性，使其更适合医疗和生物医学应用。

37、3.协同效应：这三种活性成分可能在分子层面上产生协同作用，增强彼此的效果。例如，千金藤素可能增强细菌细胞膜的通透性，使得银纳米粒子和铜离子更容易进入细胞内部，从而提高抗菌效率。

38、4.多功能性：这种母粒不仅具有抗菌和抗炎特性，还可以根据需要调整配方，赋予其他功能，如促进骨组织生长、增强材料的机械性能等。

39、5.稳定性和持久性：通过将活性成分嵌入陶瓷基体中，可以提高其在各种环境条件下的稳定性，同时控制活性成分的释放速率，确保长期有效。

40、6.环境友好性：相比于传统的抗菌剂，这种复配活性成分改性陶瓷母粒可能具有更低的环境风险，因为其活性成分在陶瓷基体中的封装可以减少对环境的直接暴露。

41、7.广泛的应用潜力：这种母粒可以应用于医疗植入物、医疗器械、生物医学涂层、抗菌表面处理等多个领域，提供一种多功能、高效且可持续的解决方案。