CN101417215A - 一种有序多孔陶瓷膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有序多孔陶瓷膜及其制备方法。采用普通陶瓷骨料和结合剂，用有序纤维作造孔剂，配比为陶瓷骨料23％－50％，结合剂15％－20％，水25％－30％，有序纤维10％－27％；采用缠绕法制备出孔径在100－200微米，孔隙率在50％－70％，强度在20－40MPa，过滤通量在3000－110000L.m^－2.h^－1，再生简单，孔排列有序且形成二维联通的直型通孔的多孔陶瓷膜。本发明可以实现陶瓷膜的快速成型，成品率高，生产成本低，工艺简单等特点，可直接应用于批量制备有序多孔陶瓷膜产品。

Description

一种有序多孔陶瓷膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种有序多孔陶瓷膜及其制备方法，尤其是一种适用于固液分离、汽车尾气处理、高温气体除尘、废水净化和化工催化等领域的有序多孔陶瓷膜及其制备技术。

背景技术

对陶瓷膜的孔的有序性设计与研究是材料科学发展的重要方向，Zhang G J等利用棉纤维作造孔剂，通过涂敷陶瓷浆料，来制备一些有序通孔的多孔陶瓷，其孔径在100微米左右。随着纳米技术的发展，现在人们把目光集中在通过有机高分子为模版，通过自组装反应制备一些有序多孔微孔材料。在自组装过程中多使用一些含硫化合物如硫醇和硫酚等。美国的Jin Z.Zhang等通过自组装制备出纳米级的微孔和介孔有序多孔材料，不仅具有非常好的分离效果，而且具有光电等功能，大大拓展了陶瓷膜的发展方向，另外荷兰的Twente大学和Larbot教授等用溶胶-凝胶技术制备氧化铝膜，其孔径可达到1-3nm，孔隙率超过50％，可以作为微滤膜，超滤膜使用，是当前很重要的一类陶瓷膜材料。

我国的陶瓷膜技术还处在初级阶段，徐南平在陶瓷膜方面有深入的研究，开发的部分产品已经应用到工业中，主要用于固液***，只是对传统的陶瓷膜的部分改进。废水净化新技术采用天然矿物为原料合成13X沸石分子筛，通过离子吸附交换作用，除去废水中的重金属离子。用配制的洗脱液将13X沸石分子筛吸附的重金属离子洗脱下来，分子筛经重新活化，可多次循环使用。加入沉淀剂使洗脱液中的重金属离子沉淀为金属硫化物，经高温熔炼可回收重金属元素。这些陶瓷膜均属于无序多孔陶瓷膜的范围，仍然存在陶瓷膜的再生非常困难，膜使用寿命短等缺陷。上海硅酸盐研究所的施剑林等通过自组装制备了性能较好的介孔材料，膜孔分布有一定有序性，但离实际应用还很远。

因此，有必要对现有陶瓷膜制备技术加以改进，以获得多孔陶瓷膜的孔是有序且是二维直型通孔，并且其过滤通量和可再生性优于现有的陶瓷膜。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种二维直型通孔、孔有序、过滤通量大和可再生性强的多孔陶瓷膜及其制备方法。

为了解决上述问题，经过多年的工作，本发明采用普通陶瓷骨料和结合剂，用有序纤维作造孔剂，采用缠绕法制备出孔径在100—200微米，孔隙率在50％—70％，强度在20—40MPa，过滤通量在3000—110000L.m^-2.h^-1，再生简单，孔排列有序且形成二维联通的直型通孔的多孔陶瓷膜。

本发明的技术方案是：一种有序多孔陶瓷膜及其制备方法，其特征在于采用下列列配方和制备方法：

(1)配方

陶瓷骨料23％—50％；结合剂15％—20％；水25％—30％；有序纤维10％—27％。

陶瓷骨料是指氧化铝、锂辉石、石英、瓷粉、碳化硅和堇青石等其中的一种，或者多种或者全部，可按任意比例组合成组合物；结合剂是碳酸钙、碳酸钡、膨润土、苏州土长石、玻璃粉和硼熔块等其中的一种，或者多种或者全部，可按任意比例组合成组合物；所述有序纤维为尼龙纤维、碳纤维和布纤维等其中的一种，或者多种或者全部，可按任意比例组合成组合物。

(2)制备方法

A、配料。将陶瓷骨料、结合剂、水按配方比例要求配料；

B、球磨。将上述混合料在球磨机中球磨24小时，其中料：球石＝1：2，得到陶瓷浆料；

C、刷涂或浸涂。将B步骤制得的陶瓷浆料采用刷涂或浸涂在有序纤维上，

得到挂浆有序纤维；

D、成型和干燥。将C步骤所得挂浆有序纤维，在自制缠绕机上进行缠绕成圆柱状，缠绕速度在1m/min、压力在0.1MPa，得到陶瓷膜生坯，并在120℃干燥24小时；

E、烧结。将上述陶瓷膜生坯放入窑炉中进行烧结，在700℃—900℃保温1—2小时，在1150℃—1400℃保温2—6小时，得到有序多孔陶瓷膜粗坯；

F、切割。将E步骤中的有序多孔陶瓷粗体采用切割两端并磨平，即得有序多孔陶瓷膜成品。

本发明中，有序多孔陶瓷膜的配料、球磨、刷涂、浸涂、干燥、烧结、切割为公知技术。

本发明具有下列优点和效果：

(1)直接采用有序纤维作造孔剂，同时又使纤维朝一个方向排列，可以非常简单的制备出孔排列有序，且孔为二维直型通孔；

(2)通过调节纤维直径就可以调节孔径的大小；

(3)通过调节有序纤维的挂浆量，就可以调节陶瓷膜的孔隙率。

(4)采用缠绕法可以实现陶瓷膜的快速成型，成品率高，生产成本低，工艺简单等特点，可直接应用于批量制备有序多孔陶瓷膜产品。

具体实施方式

以下所述实例详细的说明了本发明。在实例中，除另有说明外，所有份数和百分比均按重量计。

实施例1

1、按配方称取氧化铝300克，苏州土70克，碳酸钡70克，碳酸钙8克，膨润土2克，水280克，有序纤维270克。

2、将1步骤中的陶瓷粉料加入球磨机中混合球磨24小时，料：球石＝1：2。

3、将2步骤制备的陶瓷浆料730克采用刷涂在270克有序纤维上，得到1000g挂浆有序纤维。

4、将3步骤中所得挂浆有序纤维在自制缠绕机上进行缠绕，缠绕速度在1m/min、压力在0.1MPa，得到陶瓷膜生坯1个，并在120℃干燥24小时。

5、将4步骤所得陶瓷膜生坯1个放入硅碳棒炉进行烧结，升温速度控制在5℃—10℃/min，在700℃保温2小时，再在1350℃保温4小时，得到有序多孔陶瓷膜粗坯1个。

6、用切割机将有序多孔陶瓷膜两端切掉并磨平，就得到有序多孔陶瓷膜成品1个。

实施例2

1、按配方要求称取堇青石400克，碳酸钡70克，碳酸钙80克，膨润土1克，长石4克，水280克，有序纤维170克；

2、将1步骤中的陶瓷粉料加入球磨机中混合球磨24小时，料：球石＝1：2，得到陶瓷浆料830克。

3、将2步骤制备的830克陶瓷浆料采用刷涂在170克有序纤维上，得到1000克挂浆有序纤维。

4、将3步骤中所得带有陶瓷浆料的有序纤维在自制缠绕机上进行缠绕，缠绕速度为1m/min、压力在0.1MPa，得到陶瓷膜生坯1个，并在120℃干燥24小时。

5、将4步骤所得陶瓷膜生坯1个放入硅碳棒炉进行烧结，升温速度控制在5℃—10℃/min，在700℃保温1小时，再在1250℃保温4小时，得到有序多孔陶瓷膜粗坯。

6、用切割机将有序多孔陶瓷膜粗坯两端切掉并磨平，就得到有序多孔陶瓷膜成品1个。

实施例3

1、按配方要求称取锂辉石3500克，低温熔块650克，碳酸钙650克，膨润土80克，长石120克，水3000克，外加有序纤维2000克。

2、将1步骤中的陶瓷粉料加入球磨机中混合球磨24小时，料：球石＝1：2，得到陶瓷浆料8000克。

3、将2步骤制备的8000克陶瓷浆料采用刷涂在2000克有序纤维上，得到10000g挂浆有序纤维。

4、将3步骤中所得挂浆有序纤维在自制缠绕机上进行缠绕，缠绕速度为1m/min、压力在0.1MPa，得到陶瓷膜生坯10个，并在120℃干燥24小时。

5、将4步骤所得陶瓷膜生坯10个放入硅碳棒炉进行烧结，升温速度控制在5℃—10℃/min，在700℃保温1小时，再在1150℃保温4小时，得到有序多孔陶瓷膜粗坯。

6、用切割机将有序多孔陶瓷膜粗坯两端切掉并磨平，就得到有序多孔陶瓷膜成品10个。

实施例4

1、按配方要求称取氧化铝400克、锂辉石800克、石英500克、瓷粉600克、碳化硅1000克、堇青石700克；水2800克；碳酸钙80克、碳酸钡580克、膨润土10克、苏州土500克、长石40克、玻璃粉100克、硼熔块200克、尼龙纤维600克、碳纤维500克布纤维600克。

2、将1步骤中的陶瓷粉料加入球磨机中混合球磨24小时，料：球石＝1：2，得到陶瓷浆料8300克。

3、将2步骤制备的8300克陶瓷浆料采用刷涂在1700克有序纤维上，得到10000克挂浆有序纤维。

4、将3步骤中所得带有陶瓷浆料的有序纤维在自制缠绕机上进行缠绕，缠绕速度为1m/min、压力在0.1MPa，得到陶瓷膜生坯10个，并在120℃干燥24小时。

5、将4步骤所得陶瓷膜生坯1个放入硅碳棒炉进行烧结，升温速度控制在5℃—10℃/min，在700℃保温1小时，再在1250℃保温4.5小时，得到有序多孔陶瓷膜粗坯。

6、用切割机将有序多孔陶瓷膜粗坯两端切掉并磨平，就得到有序多孔陶瓷膜成品10个。

Claims (6)

1.一种有序多孔陶瓷膜，其特征在于：采用下列配方：(以重量百分比计)

陶瓷骨料23％—50％；结合剂15％—20％；水25％—30％；有序纤维10％—27％。

2.按照权利要求1所述的有序多孔陶瓷膜，其特征在于：所述的陶瓷骨料是氧化铝、锂辉石、石英、瓷粉、碳化硅和堇青石等其中的一种或它们的任意比例组合物。

3.按照权利要求1所述的有序多孔陶瓷膜，其特征在于：所述结合剂是碳酸钙、碳酸钡、膨润土、苏州土长石、玻璃粉和硼熔块等其中的一种或它们的任意比例组合物；所述有序纤维为尼龙纤维、碳纤维和布纤维等其中的一种或它们的任意比例组合物。

4.一种制备权利要求1所述的有序多孔陶瓷膜的方法，其特征在于：采用配料、球磨、刷涂或浸涂、成型、干燥、烧结、切割等步骤。

5.按照权利要求4所述的有序多孔陶瓷膜的制备方法，其特征在于：所述成型，是采用自制缠绕机进行陶瓷膜缠绕成型。

6.按照权利要求4所述的有序多孔陶瓷膜的制备方法，其特征在于：所述烧结，是指将瓷膜生坯放入窑炉中，在700℃—900℃保温1—2小时，在1150℃—1400℃保温2—6小时，得到有序多孔陶瓷膜粗坯。