CN103113110A - 一种复合碳化硅陶瓷纤维过渡层的涂覆方法 - Google Patents

一种复合碳化硅陶瓷纤维过渡层的涂覆方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合碳化硅陶瓷纤维过渡层的涂覆方法,包括以下步骤:支撑体干压成型后,预烧结。在支撑体表面上利用空气喷涂技术均匀涂覆一层莫来石纤维和硅酸铝纤维的混合料;干燥后在其表面上流延一层过滤膜,最后将制成的碳化硅过滤膜材料坯体进行烧结,即可得复合碳化硅过滤膜材料。本发明可以制备均匀完整,厚度可控纤维过渡层,由于采用空气喷涂技术,即降低了成本又提高了效率,同时采用预烧结,降低能耗的同时,使支撑体、纤维层、过滤膜三者牢固结合。

Description

一种复合碳化硅陶瓷纤维过渡层的涂覆方法
技术领域
[0001] 本发明属于多孔陶瓷过滤膜新材料技术领域,特别涉及了一种喷涂技术制备复合碳化硅陶瓷纤维层材料的方法。复合碳化硅陶瓷纤维层材料主要用于高温气体过滤除尘领域。
背景技术
[0002] 高温陶瓷过滤技术是20世纪80年代发展起来的一种先进的高温气体除尘技术,在许多行业都具有很大的应用前景,如冶金工业、化学及陶瓷工业中高温烟尘净化、化学工业高温气体的净化及高温催化剂的回收、热电行业中高温气体净化等。目前,高温陶瓷过滤材料在整体煤气化联合循环(IGCC)和增压流化床燃烧联合循环(PFBC)等洁净煤发电系统高温除尘领域已得到大面积商业化推广。高温陶瓷过滤材料是整个高温陶瓷过滤技术的关键。
[0003] 传统的高强度耐高温陶瓷过滤材料一般由两部分的组成,一部分是提供机械强度的支撑体,另一部分是起除尘作用的过滤膜。支撑体采用几百微米粒径的耐高温耐腐蚀陶瓷粉料来制备,支撑体的厚度在15mm左右;过滤膜的原料颗粒由几微米到几十微米的耐高温陶瓷粉料构成,其厚度在150 μ m左右,使整个过滤元件有足够的过滤除尘效率和过滤精度。传统的陶瓷过滤管材料,由于制备支撑体的颗粒粒径是表面膜的颗粒粒径10倍甚至更高,支撑体形成的孔结构有效直径也远远大于过滤膜原料粒径。表面膜粉料很容易进入支撑体的空隙中,而进入支撑体孔隙内部的这一部分过滤膜对除尘是多余的,但它不仅降低了过滤元件的渗透性,同时也增大了过滤膜产生的过滤压降。因而在不降低过滤精度和过滤效率的前提下,降低过滤膜的过滤压降有利于增加其使用寿命。因此,急需一种能够使过滤膜不进入支撑体孔隙的新结构过滤膜。
[0004] 多孔陶瓷纤维层涂覆方法主要有编织法、缠绕、真空抽滤、化学气相沉积(CVD)法等。编织法与CVD法成本很高,难于实现工业化应用,缠绕法需要长纤维限制了其应用,真空抽滤法只适合于均质(单层)滤管的成型,厚度均匀性不易控制。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供了一种复合碳化硅陶瓷纤维过滤层的涂覆方法,该方法制备工艺简单、经济实用、能耗低、易于工业化,预烧结后,在支撑体上喷涂一层均匀完整,厚度可控的纤维层。同时还可使表面膜更加均匀完整,支撑体、纤维层、过滤膜三者结合更加牢固。
[0006] 为了实现上述目的,本发明的技术方案为:提供一种复合碳化硅陶瓷纤维过渡层的涂覆方法,其中包括以下步骤:
[0007] (I)制备碳化硅多孔陶瓷支撑体坯体:按碳化硅粉、陶瓷粘结剂、造孔剂和羧甲基纤维纳溶液的质量比为10:0.5^3.3:0.5^4.0:0.5^3.0,分别称取各原料所需的量,将其混合搅拌均匀后干压成型,压力为l〜50MPa ;其中,羧甲基纤维素纳溶液的质量浓度为2wt%,造孔剂为石墨;
[0008] (2)支撑体预烧结:将制备好生坯干燥后,以升温速率疒20°C/min预烧结至80(Γ1000Ό,保温时间为I〜5h ;
[0009] (3)纤维预处理:用剪刀把莫来石纤维和硅酸铝纤维均裁剪成边长为0.5^5cm的正方体小块备用;
[0010] (4)纤维层浆料配制:称取单根直径分布0.5〜15μπι,长径比大于10的莫来石纤维、硅酸铝纤维和粒径0.5〜20 μ m的陶瓷粘结剂,其中莫来石纤维、硅酸铝纤维、陶瓷粘结剂的质量比为(Γ3: 0.5〜2.5:(Tl.5 ;陶瓷粘结剂粉体的颗粒粒径5〜50 μ m ;
[0011] (5)纤维层浆料制备:称取0.5〜15g羧甲基纤维素钠,加入4(T300ml的去离子水中水浴磁力搅拌均匀,依次加入硅酸铝纤维、莫来石纤维、陶瓷粘结剂,加热煮沸的同时搅拌,直至纤维分散均匀且使浆料中莫来石纤维质量分数f 10%,即可得到纤维和粘结剂混合料;
[0012] (6)均匀纤维层浆料获得:将步骤(5)制备好的的纤维与粘结剂混合料加入l(Tl00g球磨介质,放入球磨机中以50〜300转/分钟转速球磨10〜300分钟,即可得到均勻分散纤维层浆料;
[0013] (7)将步骤(6)制备好的的均匀分散纤维层浆料放入油漆喷枪中,调整进气压力、喷嘴张角、走枪速度,控制吸浆速度、磨面厚度、平整度,使纤维层均匀涂覆在支撑体上,旋转支撑体,连续喷涂,达到所需纤维层厚度;
[0014] (8)过滤膜浆料制备:将碳化硅粉、陶瓷粘结剂、羧甲基纤维素钠和去离子水按质量比9:1:1.5:2(Γ70磁力搅拌混合并煮沸,从而得到均匀的过滤膜浆料;
[0015] (9)过滤膜涂覆:将涂有纤维层的支撑体烘干后,流延一层纤维膜,烘干后,将制得的含有的纤维层和过滤膜的支撑体材料烧结,其中烧结温度为120(T1500°C,升温速率2〜20°C/min,保温时间为I〜5h。
[0016] 所述制备碳化硅多孔陶瓷支撑体中,所使用的碳化硅粉的颗粒粒径为100^350 μ m,陶瓷粘结剂含量5〜25wt%,造孔剂为石墨,含量5〜30wt%,制备出的支撑体厚度为3〜20mm,直径为10〜100mm。
[0017] 所述制备过滤膜浆料中,碳化硅粉的颗粒粒径为f 30 μ m,陶瓷粘结剂颗粒粒径为
0.Γ30 μ m,含量为 5〜25wt%。
[0018] 本发明复合碳化硅陶瓷过滤膜材料,是在碳化硅表面膜和碳化硅陶瓷支撑体之间增加陶瓷纤维层 ,来达到改进过滤材料的结构和性能;该纤维层不仅阻止了表面膜粉料进入支撑体空隙,而且有效提高了过滤元件的渗透性并降低了过滤材料的过滤压降。由于纤维层的加入,使陶瓷过滤膜保证了该复合碳化硅多孔陶瓷具有足够的过滤除尘效率和精度,同时支撑体采用大粒径陶瓷颗粒来制备有利于大幅降低过滤管整体的过滤压降,从而减少过滤能耗。
附图说明
[0019] 图1本发明提供的复合碳化硅陶瓷纯纤维层喷涂后表面的SEM图;
[0020] 图2发明提供的复合碳化硅陶瓷瓷粘结剂与纤维层烧结后表面的SEM图;
[0021] 图3本发明提供的复合碳化硅陶瓷材料1350°C烧结后断面的SEM图;具体实施方式
[0022] 本发明复合碳化硅陶瓷过滤膜材料中的纤维层喷涂方法,其特征在于:预处理纤维,再将纤维与粘结剂水浴中混合,最后在球磨一段时间,即可得可用来喷涂均匀纤维浆料。利用空气喷涂技术,将纤维浆料均匀涂覆在预烧结的支撑体上。干燥后,再在纤维层上流延一层过滤膜。最后将制成的碳化硅过滤膜材料坯体烧结,即可得复合碳化硅陶瓷过滤膜材料。其具体工艺流程如下:
[0023] (1)制备碳化硅多孔陶瓷支撑体坯体,按碳化硅粉、粘结剂、造孔剂和羧甲基纤维素纳(CMC)溶液的质量比为10:0.5^3.3:0.5^4.0:0.5^3.0,,分别称取各原料所需的量,将其混合搅拌均匀后干压成型,压力为f50MPa;其中,羧甲基纤维素纳(CMC)溶液的质量浓度为2wt%。造孔剂为石墨。
[0024] (2)支撑体预烧结,将制备好生坯干燥后,以升温速率疒20°C/min预烧结至80(ri000°C,保温时间为I〜5h。
[0025] (3)纤维预处理,用剪刀把纤维裁剪成边长为0.5^5cm的正方体小块备用。
[0026] (4)纤维层浆料配制,称取单根直径分布0.5^15 μ m,长径比大于10的莫来石纤维与硅酸铝纤维和粒径0.5^20 μ m的陶瓷粘结剂,其中莫来石纤维硅酸铝纤维陶瓷粘结剂的质量比为0〜3: 0.5〜2.5:(Tl.5。陶瓷粘结剂粉体的颗粒粒径5〜50 μ m
[0027] (5)纤维层浆料制备,称取0.5〜15g羟甲基纤维素钠,加入4(T300ml的去离子水中水浴磁力搅拌均匀,依次加入硅酸铝纤维、莫来石纤维、陶瓷粘结剂,加热煮沸的同时搅拌,直至纤维分散均匀且使浆料中莫来石纤维质量分数f 10%,即可得到纤维和粘结剂混合料。
[0028] (6)均匀纤维层浆料获得,将纤维与粘结剂混合料加入l(Tl00g球磨介质,放入球磨机中以5(Γ300转/分钟转速球磨1(Γ300分钟。即可得到均匀分散纤维浆料。
[0029] (7)纤维层的喷涂,将制备的均匀分散纤维浆料放入油漆喷枪中,调整进气压力、喷嘴张角、走枪速度等,从而控制吸浆速度、磨面厚度、平整度,使纤维层均匀涂覆在支撑体上。旋转支撑体,连续喷涂,达到所需纤维层厚度。
[0030] (7)过滤膜涂覆,将烘干后样品,流延一层纤维膜。烘干后,将制得的复合过滤膜材料烧结。烧结温度为120(Tl500°C,升温速率2〜20°C/min,保温时间为I〜5h。
[0031 ] 在上述制备碳化硅支撑体中,所使用的碳化硅的颗粒大小为10(Γ350 μ m,陶瓷粘结剂含量5〜25wt%,造孔剂为石墨,含量5〜30wt%,制备出的支撑体厚度为3〜20mm,直径为10〜100mm。
[0032] 上述过滤膜浆料制备,将碳化硅粉、陶瓷粘结剂粉、羟甲基纤维素钠和去离子水按质量比9:1:1.5: 2(Γ70磁力搅拌混合并煮沸,从而得到均匀的过滤膜浆料。
[0033] 在上述过滤膜与纤维层混合料中,所使用的碳化硅粉体的颗粒粒径为1〜30μπι,陶瓷粘结剂粉料颗粒粒径为0.f 30 μ m,含量为5〜25wt%,过滤膜浆料的制备中可使用造孔齐U,如使用造孔剂,造孔剂为石墨,颗粒粒径为0.f 30 μ m,含量为(T30wt%。
[0034] 实施例1
[0035] (I)将纤维裁剪成边长为3cm的正方体小块备用。
[0036] (2)分别称取莫来石纤维2g,硅酸铝纤维1.Sg,羟甲基纤维素钠2.7g,称取70ml的去离子水加入250ml烧杯中,水浴搅拌,依次加入羟甲基纤维素纳、硅酸铝纤维,莫来石纤维,水浴加热搅拌均匀,致莫来石纤维质量浓度达到3%。
[0037] (3)将纤维浆料60g放入球磨机中以200转/分钟转速球磨60分钟。球磨介质为30g氧化铝球。
[0038] (4)将均匀纤维浆料放入喷壶中,利用空气喷涂,均匀喷涂在支撑体表面。
[0039] (5)结果:复合碳化硅陶瓷纤维层表面平整、纤维分布均匀缺陷少。
[0040] 实施例2
[0041] (I)将纤维裁剪成边长为2cm的正方体小块备用。配制质量分数为6(^丨%钾长石、20wt%高岭土和20wt%陶瓷混合料作为粘结剂。原料平均粒径为15 μ m.[0042] (2)分别称取莫来石纤维2g,硅酸铝纤维1.Sg,羟甲基纤维素钠2g,粘结剂lg,称取70ml的去离子水加入250ml烧杯中,水浴搅拌,依次加入羟甲基纤维素纳、硅酸铝纤维,莫来石纤维,粘结剂,水浴加热搅拌均匀,致莫来石纤维质量浓度达到3%。
[0043] (3)同实施例1的步骤(3)
[0044] (4)将均匀纤维浆料放入喷壶中,利用空气喷涂,均匀喷涂在支撑体表面。喷涂时间是实施I的三倍。
[0045] (5)结果:复合碳化硅陶瓷纤维层表面平整、纤维分布均匀缺陷少。样品的纤维膜由于喷涂时间长而使纤维膜厚度更厚。由于加入粘结剂,与采用预烧结,可使得纤维层与基体结合更加牢固。
[0046] 实施例3
[0047] (I)按碳化硅粉、陶瓷粘结剂、造孔剂和羧甲基纤维纳(CMC)溶液的质量比为10:0.85:1:1.6,分别称取各原料所需的量,将其混合搅拌均匀后干压成型,压力为5MPa制备支撑体生还直径50mm,厚度约为6mm。其中碳化娃颗粒的平均粒径为150 μ m,羧甲基纤维纳(CMC)溶液的质量浓度为2wt%。造孔剂为石墨。粘结剂为60被%钾长石、20wt%高岭土和20wt%石英砂陶瓷混合料。
[0048] (2)支撑体预烧结,将制备好生坯在80°C烘箱中干燥48h,。以升温速率10°C/min预烧结至900°C,保温时间为2h。
[0049] (3)同实施例1的步骤(I)
[0050] (4)同实施例1的步骤(2)
[0051] (5)同实施例1的步骤(3)
[0052] (6)同实施例1的步骤(4)
[0053] (7)称取0.9g碳化硅粉料、0.1g陶瓷粘结剂,0.15g羟甲基纤维素钠,称取50ml的去离子水加入200ml烧杯中,水浴搅拌,依次加入羟甲基纤维素钠、碳化硅、粘结剂并水浴搅拌至混合均匀,致碳化硅质量浓度达到2.5%即制得过滤膜混合料。其中碳化硅粉料的平均粒径为6 μ m。
[0054] (8)利用流延机在涂有纤维层的基体上流延膜。
[0055] (9)将制备好过滤材料在80°C烘箱中干燥48h,将复合碳化硅陶瓷过滤膜材料坯体进行煅烧,烧结1350°C,升温速率5°C/min,即可制得复合碳化硅陶瓷过滤膜材料。
[0056] (10)结果:复合碳化硅陶瓷其断面SEM显微照片如图3所示;表面过滤膜的平均孔隙率43%,平均孔径3.3 μ m ;复合碳化硅陶瓷过渡纤维层分布均匀,陶瓷纤维过渡层起到了架桥承接作用,有效的防止膜直接接触支撑体堵塞气孔,支撑体、陶瓷纤维过渡层和表面碳化硅膜由于采用预烧结三者连接紧密,表面层过滤膜不易脱落。图1为本发明提供的复合碳化硅陶瓷纯纤维层喷涂后表面的SEM图;图2为发明提供的复合碳化硅陶瓷瓷粘结剂与纤维层烧结后表面的SEM图;
[0057] 以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已,当然不能以此来限定本发明之权利范围,因此依本发明 权利要求所作的等同变化,仍属于本发明所涵盖的范围。

Claims (3)

1.一种复合碳化硅陶瓷纤维过渡层的涂覆方法,其特征在于包括以下步骤: (1)制备碳化硅多孔陶瓷支撑体坯体:按碳化硅粉、陶瓷粘结剂、造孔剂和羧甲基纤维素纳溶液的质量比为10:0.5^3.3:0.5^4.0:0.5^3.0,分别称取各原料所需的量,将其混合搅拌均匀后干压成型,压力为f50MPa ;其中,羧甲基纤维素纳溶液的质量浓度为2wt%,造孔剂为石墨; (2)支撑体预烧结:将制备好生坯干燥后,以升温速率疒20°C/min预烧结至80(Γ1000Ό,保温时间为I〜5h ; (3)纤维预处理:用剪刀把莫来石纤维和硅酸铝纤维均裁剪成边长为0.5^5cm的正方体小块备用; (4)纤维层浆料配制:称取单根直径分布0.5〜15μπι,长径比大于10的莫来石纤维、硅酸铝纤维和粒径0.5^20 μ m的陶瓷粘结剂,其中莫来石纤维、硅酸铝纤维、陶瓷粘结剂的质量比为0〜3: 0.5〜2.5:(Tl.5 ;陶瓷粘结剂粉体的颗粒粒径5〜50 μ m ; (5)纤维层浆料制备:称取0.5〜15g羧甲基纤维素钠,加入4(T300ml的去离子水中水浴磁力搅拌均匀,依次加入硅酸铝纤维、莫来石纤维、陶瓷粘结剂,加热煮沸的同时搅拌,直至纤维分散均匀且使浆料中莫来石纤维质量分数f 10%,即可得到纤维和粘结剂混合料; (6)均匀纤维层浆料获得:将步骤(5)制备好的的纤维与粘结剂混合料加入l(Tl00g球磨介质,放入球磨机中以5(Γ300转/分钟转速球磨1(Γ300分钟,即可得到均匀分散纤维层浆料; (7)将步骤(6)制备好的的均匀分散纤维层浆料放入油漆喷枪中,调整进气压力、喷嘴张角、走枪速度,控制吸浆速度、磨面厚度、平整度,使纤维层均匀涂覆在支撑体上,旋转支撑体,连续喷涂,达到所需纤维层厚度; (8)过滤膜浆料制备:将碳化硅粉、陶瓷粘结剂、羧甲基纤维素钠和去离子水按质量比9:1:1.5:2(Γ70磁力搅拌混合并煮沸,从而得到均匀的过滤膜浆料; (9)过滤膜涂覆:将涂有纤维层的支撑体烘干后,流延一层纤维膜,烘干后,将制的的含有的纤维层和过滤膜的支撑体材料烧结,其中烧结温度为120(Tl500°C,升温速率2〜20°C/min,保温时间为I〜5h。
2.如权利要求1所述的复合碳化硅陶瓷纤维过渡层的涂覆方法,其特征在于:所述制备碳化硅多孔陶瓷支撑体中,所使用的碳化硅粉的颗粒粒径为10(Γ350μπι,陶瓷粘结剂含量5〜25wt%,造孔剂为石墨,含量5〜30wt%,制备出的支撑体厚度为3〜20mm,直径为10〜100mm。
3.如权利要求1所述的复合碳化硅陶瓷纤维过渡层的涂覆方法,其特征在于:所述制备过滤膜浆料中,碳化硅粉的颗粒粒径为广30 μ m,陶瓷粘结剂颗粒粒径为0.Γ30 μ m,含量为5〜25wt%。
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