CN103446806B

CN103446806B - 一种具有非对称结构的多孔材料的制备方法

Info

Publication number: CN103446806B
Application number: CN201310416599.2A
Authority: CN
Inventors: 杨坤; 汤慧萍; 王建; 葛渊; 谈萍; 杨保军
Original assignee: Northwest Institute for Non Ferrous Metal Research
Current assignee: Northwest Institute for Non Ferrous Metal Research
Priority date: 2013-09-13
Filing date: 2013-09-13
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2033-09-13
Also published as: CN103446806A

Abstract

本发明公开了一种具有非对称结构的多孔材料的制备方法，该方法为：一、采用夹具将多孔支撑体固定于密闭的沉积室内，并使得多孔支撑体待沉积的一侧与位于沉积室一端的送粉器相连通，多孔支撑体的另一侧与位于沉积室另一端的真空泵相连通；二、向送粉器中添加待沉积的粉末原料；三、开启真空泵，打开送粉器，通过气体将送粉器内的粉末原料输送至多孔支撑体待沉积的一侧，利用多孔支撑体两侧的压差使粉末原料沉积于多孔支撑体表面；四、关闭送粉器，关闭真空泵，取出后烧结，得到具有非对称结构的多孔材料。本发明制备的具有非对称结构的多孔材料过滤效率远高于传统多孔材料，可广泛应用于在石油化工、生物制药、食品饮料、水处理等工业领域。

Description

一种具有非对称结构的多孔材料的制备方法

技术领域

本发明属于多孔材料制备技术领域，具体涉及一种具有非对称结构的多孔材料的制备方法。

背景技术

传统的粉末冶金多孔材料均为对称结构，主要包括管状和片状元件，这种对称结构的多孔元件大多采用较粗的粉末经过冷等静压、挤压或模压方法成形后烧结而成，虽然过滤通量较大，但过滤精度较低，无法满足过滤和化工等行业的需求。

近年来，国内外学者通过湿法喷涂、溶胶-凝胶和离心沉积等方法在对称结构支撑体的表面成功制备出了一层孔径细小且过滤精度较高的微孔膜，将这种结构称为非对称型多孔材料（具有非对称结构的多孔材料）。与对称多孔元件相比，非对称型多孔材料优势是对流体中≤2μm亚微米级颗粒的过滤分离，在相同的过滤精度下，非对称型多孔材料的分离效率是常规多孔材料分离效率的5～10倍，使其展现出了广阔的市场前景。

针对非对称型多孔材料，国内外已经展开了相关的研究工作，其中喷涂法和离心沉积法是目前最具市场前景的成形方法。专利200810232585.4发明了一种离心沉积法制备非对称型多孔材料的方法，利用粉末浆料在离心力的作用下使得粉末沉积在多孔管内壁，然后烧结获得具有梯度结构的内壁膜材料，专利US2008/0081007A1利用粉末湿法喷涂技术制备金属外壁膜，获得了较好的效果。对多孔材料而言，目前主要的用途是用于过滤与分离行业，工况环境复杂多变，大多工况条件是高温、高压以及腐蚀性气氛，对于多孔材料的机械性能和耐腐蚀性能要求较高，粉末喷涂法和离心沉积法在制备非对称型多孔材料时均需先配置以有机物为主的粉末浆料，然后再通过离心或喷涂的方法实现膜层沉积，最后再经过特定的烧结工艺获得非对称结构的多孔材料，但烧结后有机物往往不能完全脱除，造成多孔材料中碳、氧和氮等元素含量大大增高，严重影响多孔材料的机械性能和耐腐蚀性能，并且以上方法在制备过程中会形成粉尘污染，对环境和操作者会产生严重危害。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种具有非对称结构的多孔材料的制备方法。该方法操作简便、绿色无污染，工作安全可靠且粉末可回收、加工效率高，适合于各种形状多孔材料表面非对称结构的制备，生产成本低廉，对生产设备的要求较低，适于大规模工业化生产。采用该方法制备的具有非对称结构的多孔材料过滤效率远高于传统多孔材料，可广泛应用于在石油化工、生物制药、食品饮料、水处理等工业领域。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种具有非对称结构的多孔材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、采用夹具将多孔支撑体固定于密闭的沉积室内，并使得多孔支撑体待沉积的一侧与位于沉积室一端的送粉器相连通，多孔支撑体的另一侧与位于沉积室另一端的真空泵相连通；

步骤二、向送粉器中添加待沉积的粉末原料；

步骤三、开启真空泵使得多孔支撑体两侧的压差为200Pa～5000Pa，然后打开送粉器，通过气体将送粉器内的粉末原料输送至多孔支撑体待沉积的一侧，利用多孔支撑体两侧的压差使粉末原料沉积于多孔支撑体表面；

步骤四、沉积完成后关闭送粉器，然后关闭真空泵，将沉积后的多孔支撑体取出后烧结，得到具有非对称结构的多孔材料。

上述的一种具有非对称结构的多孔材料的制备方法，步骤一中所述多孔支撑体为金属多孔支撑体或陶瓷多孔支撑体。

上述的一种具有非对称结构的多孔材料的制备方法，步骤三中所述气体的流量为1m³/h～50m³/h。

上述的一种具有非对称结构的多孔材料的制备方法，步骤三中所述沉积的时间为0.5min～30min。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的成形原理是利用气流将粉末原料输送至多孔支撑体表面，在多孔支撑体两侧压差的作用下，多孔支撑体会对含尘气流进行净化使得粉末原料在多孔材料表面形成“滤饼”，随着沉积过程的进行“滤饼”持续增厚，从而在多孔材料表面形成非对称的膜层结构。

2、本发明的加工过程中无任何有机物添加，绿色无污染，保证了多孔支撑体优良的机械性能和耐腐蚀性能，同时本发明对粉末原料的利用率高，并且不会对操作环境和操作者产生任何危害。

3、本发明的方法膜层材质不受限制，适合于多种材质膜层的制备，如不锈钢粉、钛粉、镍粉、钛合金粉、镍合金粉、FeAl合金粉以及常见金属氧化物粉末，如氧化铝、氧化锆、氧化硅、氧化铬、二氧化钛等。

4、本发明的制备方法不仅可以实现同种材料非对称结构的制备，而且可以制备复合型非对称结构，如可在金属多孔材料表面沉积陶瓷膜层。

5、本发明的方法使用范围广，本发明适用于制备各种材质的多孔材料，包括陶瓷和金属基体的，适合于管状样品的外壁、内壁膜的制备，片状样品的表面膜层的制备。

6、本发明制备的具有非对称结构的多孔材料表面膜层均匀，烧结后与支撑体结合牢固，克服了其它制备技术常见的烧结起皮、脱落等现象。

7、本发明的方法操作简便、绿色无污染，工作安全可靠且粉末可回收、加工效率高，适合于各种形状多孔材料表面非对称结构的制备，生产成本低廉，对生产设备的要求较低，适于大规模工业化生产。

8、采用本发明的方法制备的具有非对称结构的多孔材料过滤效率远高于传统多孔材料，可广泛应用于在石油化工、生物制药、食品饮料、水处理等工业领域。

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明制备平板状多孔材料表面非对称结构的工作原理示意图。

图2为本发明实施例1制备的具有非对称结构的多孔材料的过滤效率曲线。

图3为本发明制备管状多孔材料外壁非对称结构的工作原理示意图。

图4为本发明实施例2制备的具有非对称结构的多孔材料的表面微观形貌照片。

图5为本发明制备管状多孔材料内壁非对称结构的工作原理示意图。

附图标记说明:

1—沉积室； 2—多孔支撑体； 3—真空泵；

4—送粉器； 5—粉末原料； 6—夹具。

具体实施方式

实施例1

在平板状多孔材料表面制备非对称结构：

步骤一、如图1所示，采用夹具6将多孔支撑体2固定于密闭的沉积室1内，并使得多孔支撑体2待沉积的一侧与位于沉积室1一端的送粉器4相连通，多孔支撑体2的另一侧与位于沉积室1另一端的真空泵3相连通；所述多孔支撑体为Φ30×2mm的平板状316L多孔支撑体，孔径为20μm，透气系数为218m³/m²·KPa·h；

步骤二、向送粉器4中添加待沉积的粉末原料5；所述粉末原料为D₅₀=4.5μm的球形316L粉末；

步骤三、开启真空泵3使得多孔支撑体2两侧的压差为800Pa，然后打开送粉器4，通过气体将送粉器4内的粉末原料5输送至多孔支撑体2待沉积的一侧，利用多孔支撑体2两侧的压差使粉末原料5沉积于多孔支撑体2表面；所述气体的流量为20m³/h；所述沉积的时间为15min；

步骤四、沉积完成后关闭送粉器4，然后关闭真空泵3，将沉积后的多孔支撑体2取出后进行真空烧结，烧结工艺为1050℃保温1h，得到具有非对称结构的多孔材料。

利用扫描电子显微镜测得本实施例具有非对称结构的多孔材料的表面膜层为多孔结构，且孔径分布较为均匀。依据国家标准GB/T5249-1985“可渗透性烧结金属材料、气泡试验孔径的测定”测得本实施例具有非对称结构的多孔材料的相对透气系数为56m³/m²·KPa·h。依据国际标准BSISO11155-2:2009“Air filters for passenger compartments”测得本实施例具有非对称结构的多孔材料的过滤效率曲线如图2所示，从图中可知本实施例的具有非对称结构的多孔材料对于粒径不小于0.5μm的气体粉尘的过滤效率高达99.99%。

实施例2

在管状多孔材料外壁制备非对称结构：

步骤一、如图3所示，采用夹具6将多孔支撑体2固定于密闭的沉积室1内，并使得多孔支撑体2待沉积的一侧（外壁）与位于沉积室1一端的送粉器4相连通，多孔支撑体2的另一侧（内壁）与位于沉积室1另一端的真空泵3相连通；所述多孔支撑体为Φ50×150mm的管状316L多孔支撑体，孔径为28μm，透气系数为195m³/m²·KPa·h；

步骤二、向送粉器4中添加待沉积的粉末原料5；所述粉末原料为D₅₀=12.4μm的球形316L粉末；

步骤三、开启真空泵3使得多孔支撑体2两侧的压差为400Pa，然后打开送粉器4，通过气体将送粉器4内的粉末原料5输送至多孔支撑体2待沉积的一侧，利用多孔支撑体2两侧的压差使粉末原料5沉积于多孔支撑体2表面；所述气体的流量为15m³/h；所述沉积的时间为10min；

步骤四、沉积完成后关闭送粉器4，然后关闭真空泵3，将沉积后的多孔支撑体2取出后进行真空烧结，烧结工艺为950℃保温1h，得到具有非对称结构的多孔材料。

利用扫描电子显微镜测得本实施例具有非对称结构的多孔材料的表面微观形貌照片如图4所示，从图中可知本实施例具有非对称结构的多孔材料表面膜层为多孔结构，且孔径分布较为均匀。依据国家标准GB/T5249-1985“可渗透性烧结金属材料、气泡试验孔径的测定”测得本实施例具有非对称结构的多孔材料的相对透气系数为105m³/m²·KPa·h。依据国际标准BS ISO11155-2:2009“Air filters for passenger compartments”测得本实施例具有非对称结构的多孔材料对于粒径不小于0.3μm的气体粉尘的过滤效率高达99.95%。

实施例3

在管状多孔材料内壁制备非对称结构：

步骤一、如图5所示，采用夹具6将多孔支撑体2固定于密闭的沉积室1内，并使得多孔支撑体2待沉积的一侧（内壁）与位于沉积室1一端的送粉器4相连通，多孔支撑体2的另一侧（外壁）与位于沉积室1另一端的真空泵3相连通；所述多孔支撑体为Φ60×150mm的管状316L多孔支撑体，孔径为20μm，透气系数为225m³/m²·KPa·h；

步骤三、开启真空泵3使得多孔支撑体2两侧的压差为800Pa，然后打开送粉器4，通过气体将送粉器4内的粉末原料5输送至多孔支撑体2待沉积的一侧，利用多孔支撑体2两侧的压差使粉末原料5沉积于多孔支撑体2表面；所述气体的流量为20m³/h；所述沉积的时间为12min；

步骤四、沉积完成后关闭送粉器4，然后关闭真空泵3，将沉积后的多孔支撑体2取出后进行真空烧结，烧结工艺为900℃保温1h，得到具有非对称结构的多孔材料。

利用扫描电子显微镜测得本实施例具有非对称结构的多孔材料的表面膜层为多孔结构，且孔径分布较为均匀。依据国家标准GB/T5249-1985“可渗透性烧结金属材料、气泡试验孔径的测定”测得本实施例具有非对称结构的多孔材料的相对透气系数为65m³/m²·KPa·h。依据国际标准BSISO11155-2:2009“Air filters for passenger compartments”测得本实施例具有非对称结构的多孔材料对于粒径不小于0.3μm的气体粉尘的过滤效率高达99.9%。

实施例4

在管状多孔材料外壁制备非对称结构：

步骤一、如图3所示，采用夹具6将多孔支撑体2固定于密闭的沉积室1内，并使得多孔支撑体2待沉积的一侧（外壁）与位于沉积室1一端的送粉器4相连通，多孔支撑体2的另一侧（内壁）与位于沉积室1另一端的真空泵3相连通；所述多孔支撑体为实施例2制备的具有非对称结构的多孔材料；

步骤二、向送粉器4中添加待沉积的粉末原料5；所述粉末原料为D₅₀=0.2μm的球形TiO₂粉末；

步骤三、开启真空泵3使得多孔支撑体2两侧的压差为1500Pa，然后打开送粉器4，通过气体将送粉器4内的粉末原料5输送至多孔支撑体2待沉积的一侧，利用多孔支撑体2两侧的压差使粉末原料5沉积于多孔支撑体2表面；所述气体的流量为10m³/h；所述沉积的时间为15min；

步骤四、沉积完成后关闭送粉器4，然后关闭真空泵3，将沉积后的多孔支撑体2取出后进行真空烧结，烧结工艺为800℃保温1h，得到具有非对称结构的多孔材料。

利用扫描电子显微镜测得本实施例具有非对称结构的多孔材料的表面TiO₂膜层为多孔结构，且孔径分布较为均匀。依据国家标准GB/T5249-1985“可渗透性烧结金属材料、气泡试验孔径的测定”测得本实施例具有非对称结构的多孔材料的相对透气系数为12m³/m²·KPa·h。依据国际标准BS ISO11155-2:2009“Air filters for passenger compartments”测得本实施例具有非对称结构的多孔材料对于粒径不小于0.1μm的气体粉尘的过滤效率高达99.9%。

实施例5

在平板状多孔材料表面制备非对称结构：

步骤一、如图1所示，采用夹具6将多孔支撑体2固定于密闭的沉积室1内，并使得多孔支撑体2待沉积的一侧与位于沉积室1一端的送粉器4相连通，多孔支撑体2的另一侧与位于沉积室1另一端的真空泵3相连通；所述多孔支撑体为Φ45×5mm的平板状陶瓷多孔支撑体，孔径为35μm，透气系数为262m³/m²·KPa·h；

步骤二、向送粉器4中添加待沉积的粉末原料5；所述粉末原料为D₅₀=4.2μm的高纯Al₂O₃粉末；

步骤三、开启真空泵3使得多孔支撑体2两侧的压差为200Pa，然后打开送粉器4，通过气体将送粉器4内的粉末原料5输送至多孔支撑体2待沉积的一侧，利用多孔支撑体2两侧的压差使粉末原料5沉积于多孔支撑体2表面；所述气体的流量为1m³/h；所述沉积的时间为30min；

步骤四、沉积完成后关闭送粉器4，然后关闭真空泵3，将沉积后的多孔支撑体2取出后进行真空烧结，烧结工艺为860℃保温1h，得到具有非对称结构的多孔材料。

利用扫描电子显微镜测得本实施例具有非对称结构的多孔材料的表面膜层为多孔结构，且孔径分布较为均匀。依据国家标准GB/T5249-1985“可渗透性烧结金属材料、气泡试验孔径的测定”测得本实施例具有非对称结构的多孔材料的相对透气系数为36m³/m²·KPa·h。依据国际标准BSISO11155-2:2009“Air filters for passenger compartments”测得本实施例具有非对称结构的多孔材料对于粒径不小于0.3μm的气体粉尘的过滤效率高达99%。

实施例6

在平板状多孔材料表面制备非对称结构：

步骤一、如图1所示，采用夹具6将多孔支撑体2固定于密闭的沉积室1内，并使得多孔支撑体2待沉积的一侧与位于沉积室1一端的送粉器4相连通，多孔支撑体2的另一侧与位于沉积室1另一端的真空泵3相连通；所述多孔支撑体为Φ45×5mm的平板状陶瓷多孔支撑体，孔径为12μm，透气系数为67m³/m²·KPa·h；

步骤二、向送粉器4中添加待沉积的粉末原料5；所述粉末原料为D₅₀=2.1μm的高纯Al₂O₃粉末；

步骤三、开启真空泵3使得多孔支撑体2两侧的压差为5000Pa，然后打开送粉器4，通过气体将送粉器4内的粉末原料5输送至多孔支撑体2待沉积的一侧，利用多孔支撑体2两侧的压差使粉末原料5沉积于多孔支撑体2表面；所述气体的流量为50m³/h；所述沉积的时间为0.5min；

步骤四、沉积完成后关闭送粉器4，然后关闭真空泵3，将沉积后的多孔支撑体2取出后进行真空烧结，烧结工艺为750℃保温1h，得到具有非对称结构的多孔材料。

利用扫描电子显微镜测得本实施例具有非对称结构的多孔材料的表面膜层为多孔结构，且孔径分布较为均匀。依据国家标准GB/T5249-1985“可渗透性烧结金属材料、气泡试验孔径的测定”测得本实施例具有非对称结构的多孔材料的相对透气系数为18m³/m²·KPa·h。依据国际标准BSISO11155-2:2009“Air filters for passenger compartments”测得本实施例具有非对称结构的多孔材料对于粒径不小于0.1μm的气体粉尘的过滤效率高达99%。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims

1.一种具有非对称结构的多孔材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、采用夹具（6）将多孔支撑体（2）固定于密闭的沉积室（1）内，并使得多孔支撑体（2）待沉积的一侧与位于沉积室（1）一端的送粉器（4）相连通，多孔支撑体（2）的另一侧与位于沉积室（1）另一端的真空泵（3）相连通；

步骤二、向送粉器（4）中添加待沉积的粉末原料（5）；

步骤三、开启真空泵（3）使得多孔支撑体（2）两侧的压差为200Pa～5000Pa，然后打开送粉器（4），通过气体将送粉器（4）内的粉末原料（5）输送至多孔支撑体（2）待沉积的一侧，利用多孔支撑体（2）两侧的压差使粉末原料（5）沉积于多孔支撑体（2）表面；所述气体的流量为1m³/h～50m³/h；

步骤四、沉积完成后关闭送粉器（4），然后关闭真空泵（3），将沉积后的多孔支撑体（2）取出后烧结，得到具有非对称结构的多孔材料。

2.根据权利要求1所述的一种具有非对称结构的多孔材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述多孔支撑体（2）为金属多孔支撑体或陶瓷多孔支撑体。

3.根据权利要求1所述的一种具有非对称结构的多孔材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述沉积的时间为0.5min～30min。