CN103272490A

CN103272490A - 一种纤维增强平板状炭膜及其制备方法

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Publication number: CN103272490A
Application number: CN2013102275470A
Authority: CN
Inventors: 王同华; 宋成文; 李琳; 姜士敏; 隋景杰
Original assignee: Dalian Karui Bona Science & Technology Co Ltd; Dalian University of Technology; Dalian Maritime University
Current assignee: Dalian Karui Bona Science & Technology Co Ltd; Dalian University of Technology; Dalian Maritime University
Priority date: 2013-06-07
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2033-06-07
Also published as: CN103272490B

Abstract

本发明提供了一种纤维增强平板状炭膜及其制备方法。所述纤维增强平板状炭膜由炭基体和充满炭基体的纤维增强材料构成，其特征在于，炭基体为连续相，具有发达的孔隙结构；纤维增强材料为分散相，与炭基体融为一体。该纤维增强平板状炭膜强度高、抗腐蚀能力强。所述制备方法包括以下工艺步骤：以含碳物质为平板状炭膜的前驱体材料，将其粉碎后与添加剂混合配料，经球磨、筛分后放入内侧涂有脱模剂的模具内，同时将纤维增强材料加入物料中，经成型、启膜、干燥和炭化步骤得到纤维增强平板状炭膜。该方法实现了干料直接压制制备出高强度平板状炭膜，具有制备工艺简单、生产成本低廉、生产周期短等优点。

Description

一种纤维增强平板状炭膜及其制备方法

技术领域

本发明属于膜分离技术领域，尤其涉及一种纤维增强平板状炭膜及其制备方法。

背景技术

炭膜是一种新型的炭基膜分离材料，它把炭材料优异结构特性（丰富的孔结构、均一的孔径分布）与膜材料的优势（高效、节能）有机融合为一体，在气体分离、液体分离等方面展现出良好的应用前景。炭膜通常是由含碳物质在真空或者惰性气体保护下，经过高温热解制备而成的。根据结构的不同,炭膜可分为均质炭膜和复合炭膜，均质炭膜又可分为平板状炭膜、管状炭膜、中空纤维炭膜和毛细管炭膜。

目前所报道的均质炭膜中平板和管状炭膜的制备方法主要采用湿法挤压成型后炭化制备而成（例如：CN1490076A、CN102527257A、CN101733001A、CN01147847A、CN1415406A和CN1569316A）。在成型制膜过程中，此法需要引入溶剂（如有机溶剂或水）和粘结剂，经混合、炼制、陈化和成型等工艺制备原膜，然后原膜需要经长时间室温干燥后，才能进行炭化制备成炭膜。因此，采用此法制备炭膜，不仅需要花费很长的干燥时间，同时在干燥过程要精心控制环境温度和湿度防止出现原膜弯曲或裂缝的产生，增加了制备工艺过程的复杂性和控制难度，提高了生产成本。此外，由于炭膜的炭骨架结构主要由未分解的粘结剂在高温下以碳的形式与煤粉颗粒经过一定的缩聚反应相互融合构成，其强度通常不是很高，而在实际应用过程中，如膜组件组装和料液的分离过程中，都要承受一定的外力作用，并要抵抗料液的循环冲击和冲刷，因此，按照此法制备的炭膜在机械强度上还不能满足大规模商业化的要求。

纤维增强平板状炭膜在保证炭膜原有良好加工性能和孔结构性能的基础上，通过添加高强度的纤维材料来大幅度增强现有炭膜的机械强度，使其能满足多种场合的应用。因此，开发新型纤维增强平板状炭膜，将进一步拓展现有炭膜的应用领域，加快炭膜的产业化进程。

发明内容

本发明旨在提供一种制备工艺简单、成本低廉、耐腐蚀的高强度平板状炭膜及其制备方法，以解决和弥补现有炭膜材料制备过程中需要精心控制、生产周期长、强度很难满足工业生产要求等不足。

本发明的纤维增强平板状炭膜由炭基体和充满炭基体的纤维增强材料构成，其特征在于，炭基体为连续相，具有发达的孔隙结构；纤维增强材料为分散相，与炭基体融为一体。本发明的纤维增强平板状炭膜的抗压强度优选为65-140kg/cm²，孔隙结构的平均孔径优选为0.14–0.60μm，孔隙率优选为30-50%。

本发明用于制备上述纤维增强平板状炭膜的方法包括以下工艺步骤：以含碳物质为平板状炭膜的前驱体材料，将其粉碎后与添加剂混合配料，经球磨、筛分后放入内侧涂有脱模剂的模具内，同时将纤维增强材料加入物料中，经成型、启膜、干燥和炭化步骤得到纤维增强平板状炭膜。

含碳物质通常为不同变质程度的煤，如无烟煤、焦煤、气煤、肥煤、瘦煤、烟煤、褐煤、植物基炭、树脂基炭、石油焦、中间相炭微球、酚醛树脂等，可以使用其中的一种或多种的混合物。此外，含碳物质优选粉碎至200-500μm。

添加剂一般选用羧甲基纤维素、淀粉、酚醛树脂、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚乙烯醇缩丁醛、聚苯乙烯中的一种或多种的混合物，其加入量一般为前驱体材料与添加剂总质量的5%-40%。

球磨是指将混料放入球磨机中进行研磨处理，处理时间一般控制在0.5-4h。

筛分是指用筛网将大颗粒物料筛分去除，控制物料粒度在5-50μm。

脱模剂一般选用油酸、硅油、甲基硅油、石蜡、甘油、凡士林中的一种或多种的混合物。

纤维增强材料可以使用陶瓷纤维网、短切陶瓷纤维、碳化硅纤维网、硼纤维网、Al₂O₃纤维网、碳纤维网、短切炭纤维、不锈钢丝网、镍网中的一种或多种的混合物，纤维增强材料的用量一般为前驱体材料质量的3-10%。

成型条件优选如下：成型压力控制在60-200MPa，保压时间控制在10-20min。

启膜是指打开模具将膜取出，此时最好将压好的板式炭膜用平板夹具夹住，以防止平板膜结构变形。

将制备完毕的平板膜进行干燥处理，干燥温度通常控制在室温到100℃之间，干燥时间一般为1-12h。

将干燥后的原膜放入程序升温控制炭化炉中，在真空或惰性气体保护下升温进行炭化处理，便制备出纤维增强平板状炭膜。其中惰性气体通常选用氮气或氩气，升温速率一般控制在0.5-10℃/min，炭化终温通常选择600-1000℃，并一般在此温度下恒温30-120min。

本发明的有益效果是：

本发明的纤维增强平板状炭膜强度高、抗腐蚀能力强，在气体、液体分离领域具有广阔的应用前景。此外，本发明所开发的平板状炭膜的制备方法实现了干料直接压制制备出高强度平板状炭膜，具有制备工艺简单、生产成本低廉等优点，而且由于制备过程中无需引入液体溶剂，因而大幅缩短了生产周期。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

实施例1

将无烟煤粉碎至200-500μm后，分别称取100g无烟煤粉和20g淀粉放入球磨机中研磨2h，用筛网将大颗粒物料筛分去除，控制物料粒度在20-30μm之间。将物料放入内侧涂有硅油的模具中并加入6g陶瓷纤维网，铺平后在成型压力为80MPa时成型压膜，保压10min后，打开模具，将压好的板式炭膜用平板夹具夹住在室温下干燥5h。将干燥后的原膜放入程序升温控制炭化炉中，在氩气保护下，以3℃/min的升温速率升至900℃并恒温30min，待其冷却到100℃以下便可取出。炭膜性能如表1所示。

实施例2-9

按照实施例1的步骤，但增强材料按表1中给出的类型添加，得到的炭膜性能如表1所示。

表1使用不同增强材料条件下制备的炭膜性能

实施例10

将焦煤粉碎至200-500μm后，分别称取100g焦煤粉和25g聚乙烯醇放入球磨机中研磨3h，用筛网将大颗粒物料筛分去除，控制物料粒度在10-20μm之间。将物料放入内侧涂有甘油的模具中并加入3g硼纤维网，铺平后在成型压力为100MPa时成型压膜，保压10min后，打开模具，将压好的板式炭膜用平板夹具夹住在室温下干燥3h。将干燥后的原膜放入程序升温控制炭化炉中，在氩气保护下，以5℃/min的升温速率升至800℃并恒温60min，待其冷却到100℃以下便可取出。炭膜性能见表2所示。

实施例11-19

按照实施例10的步骤，但含碳前驱体按表2中给出的类型添加，得到的炭膜性能如表2所示。

表2使用不同含碳前驱体制备的炭膜性能

实施例20

将烟煤粉碎至200-500μm后，分别称取100g烟煤和25g羧甲基纤维素放入球磨机中研磨4h，用筛网将大颗粒物料筛分去除，控制物料粒度在5-15μm之间。将物料放入内侧涂有凡士林的模具中并加入4g炭纤维网，铺平后在成型压力为120MPa时成型压膜，保压20min后，打开模具，将压好的板式炭膜用平板夹具夹住在室温下干燥2h。将干燥后的原膜放入程序升温控制炭化炉中，在氩气保护下，以8℃/min的升温速率升至950℃并恒温60min，待其冷却到100℃以下便可取出。炭膜性能见表3所示。

实施例21-26

按照实施例20的步骤，但添加剂按表3中给出的类型添加，得到的炭膜性能如表3所示。

表3使用不同添加剂制备的炭膜性能

实施例27

将肥煤和瘦煤粉碎至200-500μm后，分别称取70g肥煤、30g瘦煤和15g聚乙烯醇放入球磨机中研磨1h，用筛网将大颗粒物料筛分去除，控制物料粒度在25-35μm之间。将物料放入内侧涂有石蜡的模具中并加入8g短切炭纤维，铺平后在成型压力为150MPa时成型压膜，保压20min后，打开模具，将压好的板式炭膜用平板夹具夹住在室温下干燥2h。将干燥后的原膜放入程序升温控制炭化炉中，在氩气保护下，以6℃/min的升温速率升至850℃并恒温30min，待其冷却到100℃以下便可取出。炭膜性能见表4所示。

实施例28-30

按照实施例27的步骤，但含碳前驱体按表4中给出的类型添加，得到的炭膜性能如表4所示。

表4使用不同前驱体混配制备的炭膜性能

实施例31

将肥煤粉碎至200-500μm后，称取100g肥煤、15g酚醛树脂和5g聚苯乙烯放入球磨机中研磨1.5h，用筛网将大颗粒物料筛分去除，控制物料粒度在20-30μm之间。将物料放入内侧涂有石蜡的模具中并加入10g Al₂O₃纤维网，铺平后在成型压力为80MPa时成型压膜，保压10min后，打开模具，将压好的板式炭膜用平板夹具夹住在室温下干燥6h。将干燥后的原膜放入程序升温控制炭化炉中，在氩气保护下，以5℃/min的升温速率升至800℃并恒温60min，待其冷却到100℃以下便可取出。炭膜性能见表5所示。

实施例32-35

按照实施例31的步骤，但添加剂按表5中给出的类型添加，得到的炭膜性能如表5所示。

表5使用不同添加剂混配制备的炭膜性能

Claims

1.一种纤维增强平板状炭膜，由炭基体和充满炭基体的纤维增强材料构成，其特征在于，炭基体为连续相，具有发达的孔隙结构；纤维增强材料为分散相，与炭基体融为一体。

2.一种制备权利要求1所述纤维增强平板状炭膜的方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：以含碳物质为平板状炭膜的前驱体材料，将其粉碎后与添加剂混合配料，经球磨、筛分后放入内侧涂有脱模剂的模具内，同时将纤维增强材料加入物料中，经成型、启膜、干燥和炭化步骤得到纤维增强平板状炭膜。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，含碳物质为无烟煤、焦煤、气煤、肥煤、瘦煤、烟煤、褐煤、植物基炭、树脂基炭、石油焦、中间相炭微球、酚醛树脂中的一种或多种的混合物，含碳物质粉碎至200-500μm。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，添加剂为羧甲基纤维素、淀粉、酚醛树脂、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚乙烯醇缩丁醛、聚苯乙烯中的一种或多种的混合物，添加剂加入量为前驱体材料与添加剂总质量的5%-40%。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，球磨处理时间控制在0.5-4h，筛分控制物料粒度在5-50μm。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，纤维增强材料为陶瓷纤维网、短切陶瓷纤维、碳化硅纤维网、硼纤维网、Al2O3纤维网、碳纤维网、短切炭纤维、不锈钢丝网、镍网中的一种或多种的混合物，纤维增强材料的用量为前驱体材料质量的3-10%。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，成型压力控制在60-200MPa，保压时间控制在10-20min。

8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，干燥在室温到100℃之间进行，干燥时间控制在1-12h。

9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，炭化在真空或惰性气体保护下进行，惰性气体选用氮气或氩气，升温速率控制在0.5-10℃/min，炭化终温在600-1000℃，并在此温度下恒温30-120min。