CN103962014B - 蜂窝集束孔中空板式陶瓷整体膜元件的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了蜂窝集束孔中空板式陶瓷整体膜元件的制造方法，先将蜂窝中空板支撑体（4）上的集束孔（5）两端密封，再将蜂窝中空板支撑体放置在装有膜浆（2）的容器中，在蜂窝中空板支撑体一密封端上设置有与集束孔相通的出水管（6），通过外加压力使膜浆中的膜颗粒被拦截并吸附在蜂窝中空板支撑体外表面上形成膜层（3），同时使膜浆中的水通过蜂窝中空板支撑体内毛细孔流入集束孔并从出水管中排出，再将已成膜的蜂窝中空板支撑体干燥定型，然后将已定型的蜂窝中空板支撑体置入窑炉中烧制而成。本发明不仅成膜设备工艺简单，操作方便，成膜时间短、成膜效率高，而且膜层连续均匀，膜层厚度可控制，可适应自动规模化生产陶瓷整体膜元件。

Description

蜂窝集束孔中空板式陶瓷整体膜元件的制造方法

技术领域

本发明涉及固气和固液分离装置中使用的陶瓷整体膜元件的制造方法。

背景技术

目前市场上用于固气和固液分离的陶瓷膜主要是蜂窝（或多孔道）管式膜，价格非常高，在一定程度上限制了它的使用范围及领域；其次是少量的组装式中空蜂窝板式膜，而片状膜组合（装）体，在价格上和管式膜一样昂贵，且过滤通量小，产品笨重，过滤面积小，组装困难，也限制了它的发展。另申请号201220532115.1所申请的中空板式膜，其结构强度不高，且需要金属板框加强。，但不论是陶瓷改性膜，还是非对称膜成膜的膜层，目前国内外均采用浸渍提拉法、浇注法和真空蒸镀等工艺方法进行，其中真空蒸镀方法需要将成膜的物质在真空中加热进行蒸发或升华，使膜物质沉积在支撑体表面上，需要一套真空加热设备，成膜成本费用高。而浸渍提拉法和浇注法虽然成膜设备较简单，但它们都是完全依靠支撑体内的毛细管力来吸收膜浆，从而使膜浆中的颗粒截留在支撑体表面，经干燥，热处理而成，由于支撑体内毛细管很容易吸水饱和，造成吸力降低，每次只能形成很薄的膜层，成膜一般需要多次（三次以上）操作，流程太长、很难自动化，连续化生产，且厂地要求大、人力、物力消耗太多，成本极高。再是一旦支撑体失去毛细管吸力，膜很容易流痕迹和脱落，形成不均匀的膜层，甚至会出现局部无膜层和膜层断裂等现象，造成产品报废。

发明内容

针对上述现有技术中板式陶瓷膜在成膜中所存在的问题，本发明专利提供了一种不仅成膜设备工艺简单，操作方便，而且成膜膜层连续均匀，膜层厚度可控制，可适应自动规模化生产的陶瓷整体膜元件的制造方法。

本发明要解决的技术问题所采取的技术方案是：所述蜂窝集束孔中空板式陶瓷整体膜元件包括蜂窝中空板支撑体和其外表面上的膜层，制造方法步骤是：

1）、将蜂窝中空板支撑体上的集束孔两端密封，再将蜂窝中空板支撑体放置在装有膜浆的容器中，

2）、在蜂窝中空板支撑体一密封端上设置有与集束孔相通的出水管，通过外加压力使膜浆中的膜颗粒被拦截并吸附在蜂窝中空板支撑体外表面上形成膜层，同时使膜浆中的水通过蜂窝中空板支撑体内毛细孔流入集束孔并从出水管排出，

3）、再将已成膜的蜂窝中空板支撑体干燥定型，然后将已定型的蜂窝中空板支撑体膜置入窑炉中烧制而成。

所述外加压力为外等静压力并由压力装置带动位于膜浆上面的滑块或活塞向下运动而形成；或所述外加压力为抽吸力并由与出水管相连的抽水泵而形成。

所述压力装置为空气压缩机、液压机或其他电动机构。

本发明采用外等静压力和抽吸力的成膜方法，可解决陶瓷整体膜元件采用浸渍提拉法和浇注法成膜所存在的问题。本发明采用抽吸或外等静压式成膜工艺，根据膜层厚度要求可分一次，二次，最多三次成膜即可完成，控制抽吸压力（或外等静压力）和成膜时间，可有效控制膜层厚度，成膜时不受毛细管力的影响，成膜厚度只和抽吸压差和时间有关系，同时采用抽吸和外等静压式成膜工艺成膜，膜层更均匀致密，膜层收缩小、干燥快，烧成开裂几率小。而且抽吸和等静压成膜工艺可弥补支撑体的一些缺陷或有利于检验出不合格的支撑体，例如：支撑体壁厚变化或有裂纹，成膜时，则壁薄处由于阻力减少，成膜速度快，壁薄处膜较厚，直至膜壁两边压差和其他地方一样，从而弥补了支撑体上的一些缺陷，使膜更均匀，过滤精度更高，更一致。如支撑体存在肉眼不易见的裂纹，成膜时，裂纹处阻力小，裂纹处则易形成一条脊皱纹，很容易发现，从而提前发现不良品，还有就是浸渍提拉成膜法主要依靠毛细管力成膜，如支撑体在膜液中时间过长，毛细管力消失后，截留在支撑体表面上的预涂层（雏形膜），由于失去毛细管力的吸力，很容易脱落，从而造成不能成膜或形成缺陷或形成不均匀的膜，抽吸式成膜工艺则不存在这个问题，当达到要求厚度时，拉出膜液面还可以进一步抽吸，把多余液体抽干，从而大大减轻后续干燥的时间，也大大减少了膜层干燥和烧成（热处理）的开裂几率。根据膜亲疏的需要，所述膜浆中含有机硅氧烷和氟碳类有机物经干燥，热处理后制成疏水和超疏水的无机和有机复合膜。

所述抽吸力或外等静压力≤0.2MPa，当制作非对称膜时成膜颗粒、胶体颗粒或有机胶体体积应大于或等于支撑体孔径，膜厚可根据压差和时间来定。

本发明所述蜂窝集束孔中空板式陶瓷整体膜元件包括蜂窝中空板支撑体和其外表面上的膜层，蜂窝中空板支撑体由直通集束孔和间壁及外壁组成，集束孔横截面形状可以是正四方形、正六方形、长方形、圆形、椭圆形或跑道圆等；膜层为对称或改性后的对称膜结构，也可以是双层及多层非对称膜结构。

本发明采用抽吸或外等静压成膜，当制备对称改性膜时成膜颗粒或无机物的有机前驱体或有机物颗粒(或胶体)要小于蜂窝中空板支撑体孔径，从而可进入蜂窝中空板支撑体毛细管内部从而被截留并附在孔壁上留下来，当干燥热处理后，蜂窝中空板支撑体内毛细管内壁将变光滑，孔径会变小一些，同时改变蜂窝中空板支撑体毛细管壁的表面亲水和亲油性质，甚至荷电性质。

所述蜂窝中空板支撑体采用塑性或硬塑性整体挤出，整个生产工艺为；原料分级（选等径颗粒料）→无机料配料→混合均化→加入有机料→捏合搅拌→粗练→陈腐→粗练→挤制成形→切断→微波干燥→热风干燥→坯检→入窑→烧成→出窑→检选→切割。所述中空板式陶瓷整体膜生产工艺：支撑体→装封端胶套→一次成膜（抽吸或外等静压成膜）→干燥→烧成→二次成膜→干燥→入窑烧成→出窑检验→包装出厂

所述蜂窝中空板支撑体横截面是狭长的长方形，膜层表面为平面或凹凸面，所述凹凸面为波纹形、锯齿形、格栅形或柱齿形。

所述蜂窝中空板支撑体用SiC、Al₂O_3、、电熔莫来石、董青石粉料混合搅拌和加入重量是混合料6%以内的结合料经粗练、陈腐、模压挤制成形、切断、微波热风干燥，入窑烧制而成；同时结合料平均颗粒和骨料平均粒径相差控制不超过10%，结构组织非常一致，颗粒组成十分均匀，孔径分布十分狭窄，过滤精度相当高，没有颗粒或空隙偏聚现象，内部结构均匀一致。

所述膜层可分为修饰膜、过渡层和顶层膜，均可采用抽吸式（见图1）或外等静压式（见图2）成膜工艺，其工艺流程为：膜浆配制→制浆→放入蜂窝中空板支撑体→抽吸（等静压）→成膜→干燥→烧成。

本发明所述方法制成的蜂窝集束孔中空板式陶瓷整体膜元件具有以下特点：

1、该陶瓷膜元件为整体中空板片状；

2、陶瓷膜元件中空结构为蜂窝集束孔状；

3、蜂窝中空板支撑体结构采用整体（硬）塑性挤出成型工艺；

4、蜂窝中空板支撑体整体陶瓷膜其过渡层和顶层膜成膜工艺采用抽吸

或外等静压式或前两种工艺的复合工艺（即外等静压抽吸式工艺）成膜；

5、蜂窝中空板支撑体制备用料最小，阻力最小，同时成型、干燥和烧成可连

续自动化生产，生产效率高，成本低；

6、膜层也可制成疏水或超疏水的，从而制成无机和有机复合膜，用于膜蒸馏，例如，可用有机硅和氟碳类等有机物改性变成疏水和超疏水膜。

附图说明

图1是本发明采用抽吸成膜的装置结构示意图，

图2是本发明采用外等静压成膜的装置结构示意图。

在图中，1、缸体2、膜浆3、膜层4、蜂窝中空板支撑体5、集束孔6、出水管7、弹性密封胶套8、堵头9、活塞或滑块。

具体实施方式

实施例1，在图1中，用重量为95%的Al₂O₃粉料经溢流分选后与5%的无机粘接剂（如粘土或海泡石）混合，再加该混合物重量5%的有机粘结剂（如HPMC、树脂等）和14%水，按现有技术工艺进行粗练→陈腐→粗练→模压挤制成形→切断→微波干燥→热风干燥→坯检→入窑→烧成→出窑→检选→切割，制成蜂窝中空板支撑体4，所述蜂窝中空板支撑体呈扁平狭长形的板状，蜂窝中空板支撑体中沿其轴向间隔设置有一排每排1-1000只集束孔5，集束孔横截面为长方形，也可是正四方形、正六方形或圆形等。在缸体1内装有膜浆2，所述膜浆可以单独采取纳米Fe₂O₃、ZnO、TiO₂、Al₂O₃或SiO₂或者上述物质复合以及溶剂和添加剂等组成。蜂窝中空板支撑体一端用堵头8将集束孔密封，堵头深度5-10mm，另一端用弹性密封胶套7将集束孔密封，弹性密封胶套与伸入集束孔内的出水管6密封相连，出水管与抽水泵（图中未画出）相连，出水管相当是抽水管，开动抽水机（泵），利用0.15MPa的抽吸压力,在蜂窝中空板支撑体的内外表面形成压力差，使膜浆中的膜颗粒被拦截并吸附在蜂窝中空板支撑体外表面上（包括其内部毛细管孔壁上）形成膜层3，而膜浆中的水则通过蜂窝中空板支撑体内毛细孔隙流入集束孔内从出水管中抽出（沿箭头方向）。膜层厚度在5um～20um，修饰膜厚度在5nm～20nm，膜孔孔径在2.0nm～1000.0nm之间,移出膜浆,并保持抽吸压力,使膜层凉干定型后取出,如果膜层还达不到规定的厚度时,可再次移入缸体内膜浆中,开动抽水机（泵），对蜂窝中空板支撑体的外表面再次进行成膜形成膜层，所述膜层可以是对称或改性后的对称膜结构，也可以是双层及多层非对称膜结构。如有必要，还可进行一次或两次成膜。成膜完成后按现有工艺在30-110℃干燥→入窑在400-1200℃下保温0.2-3小时烧成→出窑检验→包装出厂。

实施例2，图2所示，用重量为12%的SiC、35%的Al₂O_3、、33%的电熔莫来石、20%的董青石粉料经溢流分选后混合，另加入该混合料重量4.5%的有机粘接剂（如HPMC或树脂等）和适量的水，按现有技术工艺进行粗练→陈腐→粗练→模压挤制成形→切断→微波干燥→热风干燥→坯检→入窑→烧成→出窑→检选→切割，制成蜂窝中空板支撑体4，所述蜂窝中空板支撑体呈扁平狭长形的板状，蜂窝中空板支撑体中沿其轴向间隔设置有1排每排1-1000只集束孔5，集束孔横截面为长方形，也可是正四方形、正六方形或圆形等。在缸体1内装有膜浆2，所述膜浆中含有机硅氧烷（例如乙烯基三乙氧基硅烷、各类硅油、小分子量硅树脂等）和氟碳类有机物（例如聚丙烯酸含氟醇酯，1H、1H、2H、2H—全氟十四烷基三乙氧基硅烷等）以及亲水物质或亲油物质，蜂窝中空板支撑体一端用堵头8将集束孔密封，堵头深度5-10mm，另一端用弹性密封胶套7密封，弹性密封胶套与伸入集束孔内的的出水管6密封相连，启动空气压缩机、油压机或电动机构，利用0.1MPa的空气压力、液压力或电动力带动活塞或滑块9向下运动,在蜂窝中空板支撑体的内外表面形成压力差，使膜浆中的膜颗粒被拦截并吸附在蜂窝中空板支撑体外表面上（包括其内部毛细管孔壁上）形成膜层3，而膜浆中的水则通过蜂窝中空板支撑体内毛细孔隙流入集束孔内从出水管6中排出。膜层厚度在5um～20um，修饰膜厚度5nm-20nm，膜孔孔径在2.0nm～1000.0nm之间,移出膜浆,并保持外等静压力,使膜层凉干定型后取出,如果膜层还达不到规定的厚度时,再次向缸体内通入膜浆,开动空气压缩机、油压机或电动机构，对蜂窝中空板支撑体的外表面再次进行成膜形成膜层，所述膜层可以是对称或改性后的对称膜结构，也可是双层及多层非对称膜结构。

如有必要，还可进行一次或两次成膜。成膜完成后按现有工艺在30-110℃干燥→入窑在80-400℃下保温0.2-3小时烧成→出窑检验→包装出厂。

Claims (6)

1.蜂窝集束孔中空板式陶瓷整体膜元件的制造方法，所述蜂窝集束孔中空板式陶瓷整体膜元件包括蜂窝中空板支撑体（4）和其表面上的膜层（3），其特征在于：所述制造方法步骤是：

a、蜂窝中空板支撑体用SiC、Al₂O₃、电熔莫来石、堇青石粉混合搅拌和加入重量是混合料6%的结合料经粗练、陈腐、模压挤制成形、切断、微波热风干燥，入窑炉烧制而成，所述结合料平均颗粒和骨料平均粒径相差不超过10%，

b、将蜂窝中空板支撑体上的集束孔（5）两端密封，再将蜂窝中空板支撑体放置在装有膜浆（2）的容器中，

c、在蜂窝中空板支撑体一密封端上设置有与集束孔相通的出水管（6），通过外加压力使膜浆中的膜颗粒被拦截并吸附在蜂窝中空板支撑体外表面上形成膜层（3），同时使膜浆中的水通过蜂窝中空板支撑体内毛细孔流入集束孔内并从出水管中排出，所述外加压力为抽吸力或外等静压力，所述抽吸力由与出水管相连的抽水泵而形成，所述外等静压力由压力装置带动位于膜浆上面的滑块或活塞（9）向下运动而形成，

d、再将已成膜的蜂窝中空板支撑体干燥定型，然后将已定型的蜂窝中空板支撑体置入窑炉中烧制而成。

2.根据权利要求1所述的蜂窝集束孔中空板式陶瓷整体膜元件的制造方法，其特征在于：所述抽吸力或外等静压力≤0.2MPa。

3.根据权利要求1所述的蜂窝集束孔中空板式陶瓷整体膜元件的制造方法，其特征在于：所述膜层（3）厚度为5-20um，膜孔孔径在2.0-1000.0nm之间。

4.根据权利要求3所述的蜂窝集束孔中空板式陶瓷整体膜元件的制造方法，其特征在于：所述膜层（3）表面为平面或凹凸面，所述凹凸面为波纹形、锯齿形、格栅形或柱齿形。

5.根据权利要求1所述的蜂窝集束孔中空板式陶瓷整体膜元件的制造方法，其特征在于：所述集束孔（5）横截面形状为正四方形、正六方形、长方形、圆形或椭圆形。

6.根据权利要求1所述的蜂窝集束孔中空板式陶瓷整体膜元件的制造方法，其特征在于：根据膜亲疏的需要，所述膜浆（2）中含有机硅氧烷和氟碳类有机物经干燥，热处理后制成疏水和超疏水的无机和有机复合膜。