CN101564621A

CN101564621A - 一种梯度孔隙结构钛滤芯及其制备方法

Info

Publication number: CN101564621A
Application number: CNA2009100434692A
Authority: CN
Inventors: 李益民; 何浩; 陈良建; 李挺
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2009-10-28

Abstract

本发明公开了一种梯度孔隙结构钛滤芯及其制备方法，在以钛为原料的芯层(2)外层包覆有一层以钛为原料的壳层(1)，所述的壳层(1)的孔隙率达到70％，孔径可超过400μm，所述的芯层(2)的孔隙率达到60％，孔径可低于1μm。将钛粉、氢化钛粉、氯化钠粉混合均匀后与粘结剂混合制粒；采用粉末共注射成形技术，先注射成形内核部分，再注射成形外层，两次注射成形的喂料不同；注射成形坯经脱脂脱盐和烧结后，得到制品。本发明在结构设计方面解决芯/壳层孔隙结构控制和结合强度的问题，实现高界面结合强度并能达到可控的孔隙结构(芯/壳层的孔隙率和孔径可在30％－70％和1～400μm可控)；在制备工艺方面，解决共注射和共烧结相容性，实现近净成形。

Description

一种梯度孔隙结构钛滤芯及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种梯度孔隙结构钛滤芯，本发明还涉及该梯度孔隙结构钛滤芯的制备方法。

背景技术

钛滤芯适用于大流量、低阻力、高黏度、高含尘量的流体过滤，广泛用于应用于化学工业、石油化工及电力工业，为下游工序的设备提供保护，为产品的液-固分离和气-固分离及环保除尘、水处理发挥着重要的作用。钛滤芯由烧结钛金属粉末方法制备，具有各向同性的结构，孔径一致，起深层过滤的作用。此种结构具有较高的纳污能力，可通过超声波清洗或化学清洗获得再生。微孔管材或板材的滤材厚度一般为2-3mm，孔径控制在1～400μm，孔隙率为30％-70％。均质钛滤芯存在纳污量和过滤精度矛盾的问题。纳污量和孔隙尺寸、孔隙率有关，孔隙尺寸和孔隙率越大，纳污量越大，而过滤精度越低。孔隙尺寸和孔隙率越小，过滤精度越高，而纳污量越小。而梯度密度的过滤介质可以缓解这一矛盾，双梯度密度的过滤介质都有预过滤粒度和最终分离粒度的指标。大孔预过滤层可以先截留较大的颗粒，小孔最终过滤层可以截留粒度小的颗粒。大孔预过滤层帮助过滤介质提高了介质的纳污能力，一般可达2～3倍，从而也提高了过滤介质的寿命。采用粉末作为原料通过压制、烧结只能制备均一孔隙的滤芯，而且为了确保足够的空隙率，烧结通常在低温下进行，滤芯强度低(通常在0.5MPa左右)，限制了产品的应用。

近年研究发现通过采用粉末共注射成形工艺能实现低成本大批量的制备高性能梯度孔隙结构钛滤芯。粉末共注射成形基本工艺过程是：将两种材料的粉末与有机粘结剂各自均匀混合，首先将一定量表层材料注入模腔内；然后立刻注入芯层材料，迫使表层材料完全充满模腔，使表层材料将芯层材料包围在中心，最后再次注射表层材料，以便在浇口处将表面层补充完整，可以得到表层/芯层具有不同材料及功能的结构，再将成形坯中的粘结剂和造孔剂脱除，经烧结致密化得到最终产品。共注射成形工艺技术可以实现复杂形状、高性能的功能结构一体化零件的净成形和大批量生产，可控制芯层穿深和突破以适应滤芯器件的要求。

采用共注射成形工艺制备的梯度孔隙结构钛滤芯有许多优势：(1)、孔隙率可控：通过调整造孔剂的选择和添加量不同，可以控制表层和芯层滤芯的孔隙率和孔径，适应不同的使用要求；(2)、芯壳层厚度任意可调：通过调整芯壳层相对含量，可以调整壳层材料的厚度，从而可以解决纳污量和过滤精度矛盾的问题；(3)、界面结合强度高：可以实现完全的冶金结合，界面结合强度超过12MPa。

发明内容

本发明所要解决的第一技术问题是提供一种高纳污量和高过滤精度的梯度孔隙结构钛滤芯。

本发明所要解决的第二技术问题是提供一种解决芯/壳层孔隙结构控制和结合强度的问题。

为了解决上述第一技术问题，本发明提供的梯度孔隙结构钛滤芯，在以钛为原料的芯层外层包覆烧结有一层以钛为原料的壳层，所述的壳层的孔隙率达到70％，孔径可超过400μm，所述的芯层的孔隙率达到60％，孔径可低于1μm。

为了解决上述第二技术问题，本发明提供的梯度孔隙结构钛滤芯的制备方法，将钛粉、氢化钛粉、氯化钠粉混合均匀后与粘结剂混合制粒；采用粉末共注射成形技术，先注射成形内核部分，再注射成形外层；注射成形坯经脱脂脱盐和烧结后，得到制品；其步骤如下：

(一)、芯、壳层原料粉末均为钛粉中添加30～60vol％氯化钠为造孔剂和5～20wt％氢化钛为发泡剂，芯层原料粉末的造孔剂的粒度为小粒径(5～200μm)，壳层原料粉末的造孔剂的粒度为大粒径(200～400μm)；两种喂料均采用油-石蜡-聚烯烃粘结剂体系，其配方为按重量百分比，取聚乙二醇10-40％、植物油5-20％、聚乙烯15-30％、增塑剂1-10％，石蜡15-54％；芯壳层喂料粘结剂与原料粉末分别按体积38～56∶62～44配合；粘结剂与原料粉末混合均匀后，用制粒机对喂料制粒；共注射成形的工艺参数：以注射温度135℃～155℃，注射压力80MPa～100MPa，注射速度50～65％，模温30℃～60℃条件下，加工成坯件，得到所需形状的无缺陷注射生坯；

(二)、成形坯脱脂脱盐：采用两步脱脂法将成形坯中粘结剂脱除，水浴法脱除氯化钠，首先将坯件放入水中加热至40℃～60℃，滞留1～2h，然后将坯件置二氯甲烷中，溶解石蜡和植物油组分；再将坯件于60℃～70℃去离水中水浴脱盐4～8h，每1h更换一次水；然后在氩气气氛下，以10℃/min速度加热至300℃，然后以15℃/min的速度加热至720℃进行热脱脂；烧结在真空烧结炉内进行，真空度为10^-3Pa，采用两种升温速率：慢升温速率4℃/min至525℃，快升温速率10℃/min至烧结温度1050℃～1350℃，保温3～5h，最后随炉冷却至室温即可。烧结完成后即可得到梯度结构钛滤芯。

采用上述技术方案的梯度孔隙结构钛滤芯的制备方法，为了实现可控的孔隙结构和芯/壳层结合强度，采用了加入不同性质和含量造孔剂的Ti分别作为芯/壳层，通过控制芯/壳层的造孔剂粒度和含量，采用烧结使壳层孔隙率可达到70％，孔径可超过400μm，芯层孔隙率可达到60％，孔径可低于1μm；芯壳层实现冶金结合，通过烧结时间调整，达到高的芯/壳层结合强度。

本发明的效果或特点

1、本发明制备梯度结构钛滤芯，可一次成形，大大降低成本。

2、本发明孔隙率可达70％，孔径可在1～400μm可控，抗压强度可达13MPa，且使用寿命长。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细介绍本发明。

参见图1，在以钛为原料的芯层2外层包覆烧结有一层以钛为原料的壳层1，壳层1为大孔结构，孔隙率达到70％，孔径可超过400μm，芯层2为小孔结构，孔隙率达到60％，孔径可小于1μm。

其制备方法是：

a、原料粉末的准备：壳层1(表面大孔层)原料粉末的配制，按重量百分比，取钛粉80～95％、氢化钛粉5～20％，按体积百分比，取大粒径(200～400μm)氯化钠粉30～60vol％，置四罐混料器，将粉末原料混合均匀。芯层2原料粉末的配制，按重量百分比，取钛粉80～95％、氢化钛粉5～20％，按体积百分比，取小粒径(5～200μm)氯化钠粉30～60vol％，放入四罐混料器中，将粉末原料混合均匀；

b、粘结剂的制备：按重量百分比，取聚乙二醇10-40％、植物油5-20％、聚乙烯15-30％、增塑剂1-10％，石蜡15-54％，置叶片式混料机中，在140℃-160℃温度下混合1小时；

c、配料：粘结剂分别与已混匀的壳层原料混合粉末和芯层原料混合粉末，芯壳层喂料分别按体积比38～56∶62～44配合，在混料机中于140℃～160℃温度下混合1.5h。

d、注射成形：采用顺序共注射方法，将上述混料置于注射成形机内，以注射温度135℃～155℃，注射压力80MPa～100MPa，注射速度50～65％，模温30℃～60℃条件下，加工成坯件；

e、脱脂脱盐：首先将坯件放入水中加热至40℃～60℃，滞留1～2h，然后将坯件置二氯甲烷中，溶解石蜡和植物油组分；再将坯件置于60℃～70℃去离水中水浴脱盐4～8h，每1h更换一次水；然后在氩气气氛中、以10℃/min速度加热至300℃，然后以15℃/min的速度加热至720℃进行热脱脂；

f、烧结：在真空烧结炉内进行，真空度为10^-3Pa，采用两种升温速率：慢升温速率4℃/min至525℃，快升温速率10℃/min至烧结温度1050℃～1350℃，保温3～5h，最后随炉冷却至室温。

本发明的创新点

1、结构设计创新：梯度结构滤芯的结构外层为大孔径的多孔Ti，有高纳污量；而内芯层为小孔径的多孔Ti，提高了滤芯的过滤精度。

2、制备工艺创新：采用粉末共注射成形技术，先注射成形内核部分，再注射成形外层，两次注射成形的喂料不同。经注射成形一次成型成生坯，再脱脂、烧结，完成基体制备。

Claims

1、一种梯度孔隙结构钛滤芯，其特征是：在以钛为原料的芯层(2)外层包覆烧结有一层以钛为原料的壳层(1)，所述的壳层(1)的孔隙率达到70％，孔径可超过400μm，所述的芯层(2)的孔隙率达到60％，孔径可低于1μm。

2、制备权利要求1所述的梯度孔隙结构钛滤芯的方法，将钛粉、氢化钛粉、氯化钠粉混合均匀后与粘结剂混合制粒；采用粉末共注射成形技术，先注射成形内核部分，再注射成形外层，两次注射成形的喂料不同；注射成形坯经脱脂脱盐和烧结后，得到制品；

其步骤如下：

(一)、芯、壳层原料粉末均为钛粉中添加30～60vol％氯化钠为造孔剂和5～20wt％氢化钛为发泡剂，芯层原料粉末的造孔剂的粒度为小粒径(5～200μm)，壳层原料粉末的造孔剂的粒度为大粒径(200～400μm)；两种喂料均采用油-石蜡-聚烯烃粘结剂体系，其配方为按重量百分比，取聚乙二醇10-40％、植物油5-20％、聚乙烯15-30％、增塑剂1-10％，石蜡15-54％；芯壳层喂料中粘结剂与原料粉末分别按体积38～56∶44～62配合；粘结剂与原料粉末混合均匀后，用制粒机对喂料制粒；共注射成形的工艺参数：以注射温度135℃～155℃，注射压力80MPa～100MPa，注射速度50～65％，模温30℃～60℃条件下，加工成坯件，得到所需形状的无缺陷注射生坯。

(二)、成形坯脱脂脱盐：采用两步脱脂法将成形坯中粘结剂脱除，水浴法脱除氯化钠，首先将坯件放入水中加热至40℃～60℃，滞留1～2h，然后将坯件置二氯甲烷中，溶解石蜡和植物油组分；再将坯件60℃～70℃去离水中水浴脱盐4～8h，每1h更换一次水；然后在氩气气氛下，以10℃/min速度加热至300℃，然后以15℃/min的速度加热至720℃进行热脱脂；烧结在真空烧结炉内进行，真空度为10^-3Pa，采用两种升温速率：慢升温速率4℃/min至525℃，快升温速率10℃/min至烧结温度1050℃～1350℃，保温3～5h，最后随炉冷却至室温即可。