CN101428346B - 一种渐变孔径不锈钢多孔管的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种渐变孔径不锈钢多孔管的制备方法，制备过程为：将不锈钢粉末与一定的聚乙烯醇溶液进行混合，配制成不锈钢粉末悬浮液，向所述悬浮液中加入消气剂，搅拌均匀后注入到由不锈钢制成的两半式对开合刚性管模具中，在离心机上离心成形，制成渐变孔径梯度不锈钢多孔管生坯；将生坯在鼓风式烘箱中烘干，然后脱模；将烘干后的不锈钢多孔管生坯在真空炉中进行烧结，烧结气氛为真空，冷却后即制得渐变孔径梯度不锈钢多孔管。本发明大大提高了渐变孔径不锈钢多孔管生坯的脱模成功率，在保证多孔管过滤精度的同时，提高了渐变孔径不锈钢多孔管的透气系数，解决了过滤分离应用过程中不锈钢多孔管过滤精度和透过性能二者此消彼长的现象。

Description

一种渐变孔径不锈钢多孔管的制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属多孔管的制备方法，具体涉及一种渐变孔径不锈钢多孔管的制备方法。

背景技术

目前，多数多孔金属过滤材料都是以均匀多孔金属材料为基体，在其表面涂上一层或多层多孔膜来提高其过滤精度。随着工业的快速发展，对过滤材料的要求也就越来越高，均匀多孔材料作为过滤膜层的基体，已经不能够满足某些部门大透气、高精度的要求。

金属多孔材料是一类有明显孔隙特征的金属材料(孔隙率可最大达到98％)。就使用环境而言，它与有机及陶瓷多孔材料相比，主要有机械强度高、热传导性能良好、密封性良好等三大优点；就性能而言，金属多孔材料具有渗透性好、孔隙和孔径可控、形状稳定、耐高温、能再生、可加工等优点。金属多孔材料的应用也十分广泛，目前已在石油化工、能源、环保、食品、制药等领域的过滤、分离、流体分布等功能领域得到应用，并且是上述工业实现技术突破不可缺少的关键材料。

现代工业的发展对金属多孔材料的性能要求越来越高，比如对孔隙性能方面，要求孔径越来越小，孔隙度越来越大；对服役性能而言，要求过滤精度越来越高，透过率越来越大；导热导电率要好，抗腐蚀、抗疲劳等力学性能要高。如果汁澄清需要过滤精度为0.2-0.5μm的多孔材料，微生物分离与细胞碎片过滤需要过滤精度为0.2-1.6μm的多孔材料，血浆分离以及乳品工业中除菌、浓缩则需要过滤精度为0.1-1μm的多孔材料，高温气体除尘要求耐高温、耐腐蚀，燃料电池电极需要高导电率、高比表面积等等。然而一些服役性能与孔隙性能相互制约，如大流量与高精度对于多孔材料来说是一对矛盾，孔径越小，材料的过滤精度越高，流体透过量就越小。为了解决这些类似的矛盾，出现了梯度多孔材料，即孔径、孔隙度沿材料厚度方向呈梯度变化。这种变化可以是突变的，也可以是渐变的。突变(亦称阶梯状——具有明显的材料界面)孔径梯度多孔材料都是过滤控制层或过渡层附在前一层大孔的支撑体上，由于粉体颗粒直径是突变的，下一层颗粒就会堵塞上一层大孔，进而降低多孔材料的透过能力，并且采用的多次成型和烧结工艺会增加金属多孔材料的制造成本，这些弊端不利于它的大规模广泛应用。

申请号为200510033633.3的发明专利“多孔无层界梯度金属膜管及其制备方法”介绍了一种多孔无界面梯度金属膜管的制备方法，但没有陈述相应粉末对应材料的具体性能；另外，该专利所述的金属多孔管制备方法存在一些弊端：如金属多孔管成形后多孔管生坯不容易脱模、金属多孔管厚度不容易控制等。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种渐变孔径不锈钢多孔管的制备方法，以制备出既具有高的透气系数，又能保证高的过滤精度的渐变孔径不锈钢多孔管。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种渐变孔径不锈钢多孔管的制备方法，其特征在于制备过程为：

(1)称取级配好的不同粒度分布的不锈钢粉末，与质量百分比浓度为5％～10％的聚乙烯醇溶液进行混合，配制成不锈钢粉末悬浮液，所述不锈钢粉末悬浮液的固含量按质量百分比计不超过20％；

(2)向步骤(1)中的不锈钢粉末悬浮液中加入消气剂，消气剂重量为不锈钢粉末悬浮液重量的0.3％，除去不锈钢粉末悬浮液中的气体，搅拌均匀；

(3)将步骤(2)中的不锈钢粉末悬浮液注入到由不锈钢制成的两半式对开合刚性管模具中，在离心机上离心成形，制成渐变孔径梯度不锈钢多孔管生坯；

(4)将步骤(3)中的渐变孔径梯度不锈钢多孔管生坯在鼓风式烘箱中烘干，烘干温度为60℃，烘干时间为3～5小时，然后脱模；

(5)将步骤(4)中经烘干后的不锈钢多孔管生坯在真空炉中进行烧结，烧结气氛为真空，或在氢气炉中烧结，烧结气氛为氢气或惰性气体。烧结温度为1150～1250℃，保温1～4小时，冷却后即制得渐变孔径梯度不锈钢多孔管。

上述步骤(3)中所述离心成形前，在两半式对开合刚性管模具内附一层塑料薄膜。

所述渐变孔径不锈钢多孔管的孔径为20～60μm，相对透气度为400～600m³/m²·KPa·h，直径为30～100mm。

本发明的技术路线：无论是制备常规的多孔金属材料还是制备渐变孔径梯度多孔金属材料，粉末颗粒的筛选都是很重要的。制备常规的多孔金属材料所用粉末颗粒尺寸分布一般都比较窄，并且这类多孔材料中的大颗粒同小颗粒是杂乱混合的，这样材料在烧结时各个部分的烧结收缩率基本上是相同的，材料不容易发生烧结变形，但高的过滤精度和高的透过性能不能同时获得。采用离心沉积成型方法制备渐变孔径梯度多孔金属选择粒度分布材料需要较宽的粉末颗粒，以保证获得控制层孔径足够小的金属多孔材料。由公式(1)可以得出：

$v_{p,s}=\frac{2{a_p}^2({\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_l){\mathrm{\ω}}^{2}r}{9\mathrm{\η}}.....................\left(1\right)$

a_p2——粒子直径，ρ_s——粒子密度，ρ_l——溶剂密度，ω²——离心角速度。r——离心半径，η——浆料粘度。

在浆料粘度、溶剂密度、离心角速度及离心半径相同的情况下，粉末颗粒的沉降速度与粒子直径的平方及粒子密度成正比。即在离心过程中，粒子尺寸越大，则粉末颗粒的沉降速度越大，这样大颗粒就会沉积到材料的外表面。成形后得到的管状坯体就呈完全的渐变孔径梯度分布。

选择粒度分布较宽的金属粉末，这样既可以保证最后所制备的材料是渐变孔径梯度结构，还可以避免小颗粒堵塞大颗粒层的大孔进而保证材料的透过性能。本发明中试样是一次成形的，没有采用支撑体；离心成形所用模具是由不锈钢制成的两半式对开合刚性管模具；离心前在管模内附一层塑料薄膜，大大提高了材料的脱模成功率，并且脱模后材料表面质量好。

本发明对脱模难的问题首次采用了两半式对开合刚性管模具，大大提高了渐变孔径不锈钢多孔管生坯的脱模成功率；本发明确定的烘干工艺同样提高了渐变孔径不锈钢多孔管生坯的脱模成功率。

本发明针对制备金属多孔管的厚度要求分别选取不同的浆料固含量以及不同浓度的聚乙醇溶液，在保证不锈钢多孔管在具有渐变孔径梯度结构的前提下，其厚度也可以得到精确控制。

本发明根据级配不同粒度分布的金属粉末可以实现渐变孔径金属多孔管不同的性能要求。

本发明在保证多孔管过滤精度的同时，提高了渐变孔径不锈钢多孔管的透气系数。

本发明的渐变孔径梯度不锈钢多孔管具有较好的透气性能，最大孔径为21μm时的相对透气系数为417m³/m²·KPa·h。

本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明利用两半式对开合刚性管模具以及合适的粉末悬浮液固含量，渐变孔径不锈钢多孔管的孔径梯度变化通过粉末粒度及粒度组成来控制，渐变孔径不锈钢多孔管的厚度通过粉末重量来控制，根据级配不同粒度分布的粉末来控制渐变孔径不锈钢多孔管的最大孔径及透气性能；本发明制备的渐变孔径不锈钢多孔管是一次烧结成形，所需成本低于梯度金属多孔管多次烧结方法的制备成本；烧结后渐变孔径不锈钢多孔管透气性能良好，本发明在保证多孔管过滤精度的同时，提高了渐变孔径不锈钢多孔管的透气系数，解决了过滤分离应用过程中不锈钢多孔管过滤精度和透过性能二者此消彼长的现象。

下面通过附图和实施例，对本发明做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明采用304L球形不锈钢粉末制备的渐变孔径多孔管的显微组织图片。

图2为本发明采用304L不规则形状不锈钢粉末制备的渐变孔径多孔管的显微组织图片。

图3为304L不规则形状不锈钢粉末经过级配得到的四种粉末A、B、C、D的粒度分布曲线。

图4为本发明采用四种级配粉末A、B、C、D制备的渐变孔径不锈钢多孔管的透过性能与常规不锈钢多孔管透过性能的对比曲线。

图5为本发明采用的两半式对开合刚性管模具的结构示意图。

图6为本发明采用的两半式对开合刚性管的俯视图。

图中，1—模具上盖；2—粉末悬浮液压块；3—两半式对开合刚性管；4—模具下盖。

具体实施方式

如图5和图6所示，本发明采用的两半式对开合刚性管模具由模具上盖1、粉末悬浮液压块2、两半式对开合刚性管3和模具下盖4组成，两半式对开合刚性管3为两半对称结构，两半式对开合刚性管3内壁设置有用于放置粉末悬浮液压块2的台阶，模具上盖1设置在两半式对开合刚性管3上端，模具下盖4设置在两半式对开合刚性管3底端。

实施例1

称取级配的不规则形状不锈钢(304L)粉末A(如图3所示)，与质量百分比浓度为10％的聚乙烯醇溶液进行混合，混合后得到的粉末悬浮液的固含量为20％(质量百分比)，粉末悬浮液中加入消气剂除去粉末悬浮液中的气体，搅拌均匀后倒入两半式对开合刚性管模具中，放到离心机上离心成形；离心机转速由0调到3000转/分，离心时间为15分钟；离心机停止后取下两半式对开合刚性管模具，倒出模具中的清液，将渐变孔径不锈钢多孔管烘干后脱模；在真空炉中对多孔管进行烧结；最后采用FBP-I型多孔材料测试仪测试制备出的渐变孔径不锈钢多孔管的最大孔径为43μm，相对透气系数为540m³/m²·KPa·h。

实施例2

称取级配的不规则形状不锈钢(304L)粉末B(如图3所示)，与质量百分比浓度为5％的聚乙烯醇溶液进行混合，混合后得到的粉末悬浮液的固含量为10％(质量百分比)，粉末悬浮液中加入消气剂除去粉末悬浮液中的气体，搅拌均匀后倒入两半式对开合刚性管模具中，放到离心机上离心成形；离心机转速由0调到3000转/分，离心时间为15分钟；离心机停止后取下两半式对开合刚性管模具，倒出模具中的清液，将渐变孔径不锈钢多孔管烘干后脱模；在真空炉中对多孔管进行烧结；最后采用FBP-I型多孔材料测试仪测试制备出的渐变孔径不锈钢多孔管的最大孔径为21μm，相对透气系数为417m³/m²·KPa·h。

实施例3

称取级配的不规则形状不锈钢(304L)粉末C(如图3所示)，与质量百分比浓度为8％的聚乙烯醇溶液进行混合，混合后得到的粉末悬浮液的固含量为16％(质量百分比)，粉末悬浮液中加入消气剂除去粉末悬浮液中的气体，搅拌均匀后倒入两半式对开合刚性管模具中，放到离心机上离心成形；离心机转速由0调到3000转/分，离心时间为15分钟；离心机停止后取下两半式对开合刚性管模具，倒出模具中的清液，将渐变孔径不锈钢多孔管烘干后脱模；在真空炉中对多孔管进行烧结；最后采用FBP-I型多孔材料测试仪测试制备出的渐变孔径不锈钢多孔管的最大孔径为31μm，相对透气系数为444m³/m²·KPa·h

实施例4

称取级配的不规则形状不锈钢(304L)粉末D(如图3所示)，与质量百分比浓度为6％的聚乙烯醇溶液进行混合，混合后得到的粉末悬浮液的固含量为12％(质量百分比)，粉末悬浮液中加入消气剂除去粉末悬浮液中的气体，搅拌均匀后倒入两半式对开合刚性管模具中，放到离心机上离心成形；离心机转速由0调到3000转/分，离心时间为15分钟；离心机停止后取下两半式对开合刚性管模具，倒出模具中的清液，将渐变孔径不锈钢多孔管烘干后脱模；在真空炉中对多孔管进行烧结；最后采用FBP-I型多孔材料测试仪测试制备出的渐变孔径不锈钢多孔管的最大孔径为31μm，相对透气系数为580m³/m²·KPa·h。

Claims (3)

1.一种渐变孔径不锈钢多孔管的制备方法，其特征在于制备过程为：

(1)称取级配好的不同粒度分布的不锈钢粉末，与质量百分比浓度为5％～10％的聚乙烯醇溶液进行混合，配制成不锈钢粉末悬浮液，所述不锈钢粉末悬浮液的固含量按质量百分比计不超过20％；

(2)向步骤(1)中的不锈钢粉末悬浮液中加入消气剂，消气剂重量为不锈钢粉末悬浮液重量的0.3％，除去不锈钢粉末悬浮液中的气体，搅拌均匀；

(3)将步骤(2)中的不锈钢粉末悬浮液注入到由不锈钢制成的两半式对开合刚性管模具中，在离心机上离心成形，制成渐变孔径梯度不锈钢多孔管生坯；

(4)将步骤(3)中的渐变孔径梯度不锈钢多孔管生坯在鼓风式烘箱中烘干，烘干温度为60℃，烘干时间为3～5小时，然后脱模；

(5)将步骤(4)中经烘干后的不锈钢多孔管生坯在真空炉中进行烧结，烧结气氛为真空，烧结温度为1150～1250℃，保温1～4小时，冷却后即制得渐变孔径梯度不锈钢多孔管。

2.根据权利要求1所述的一种渐变孔径不锈钢多孔管的制备方法，其特征在于步骤(3)中所述离心成形前，在两半式对开合刚性管模具内附一层塑料薄膜。

3.根据权利要求1所述的一种渐变孔径不锈钢多孔管的制备方法，其特征在于所述渐变孔径不锈钢多孔管的孔径为20～60μm，相对透气度为400～600m³/m²·KPa·h，直径为30～100mm。

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