CN104261867A - 一种纯碳化硅多孔陶瓷膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及纯碳化硅多孔陶瓷膜的制备方法，包括有以下步骤：1)碳化硅素胚的成型；2)碳化硅膜层的涂覆；3)纯碳化硅多孔陶瓷的烧结。本发明的有益效果在于：由于碳化硅相比氧化铝、堇青石、莫来石等具有良好的耐高温、耐腐蚀和抗热震性能，本发明提出由细颗粒的碳化硅作为粘结剂，将大颗粒的碳化硅作为骨料，复合造孔剂等材料，形成一种纯碳化硅多孔陶瓷膜材料，必将大幅提升膜材料的耐高温、耐腐蚀和抗热震性能，极大的拓宽了无机陶瓷膜的使用范围和在严酷条件下的使用寿命，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于无机非金属材料技术领域，具体的是涉及一种纯碳化硅多孔陶瓷膜的制备方法。
背景技术
高性能膜材料是新型高效分离技术的核心材料，已经成为解决水资源、能源、环境等领域重大问题的共性技术之一，在促进我国国民经济发展、产业技术进步与增强国际竞争力等方面发挥着重要作用。高性能膜材料的应用覆盖面在一定程度上反映一个国家过程工业、能源利用和环境保护的水平。由于无机膜相比有机膜具有良好的机械强度、耐热、耐酸碱性能，因此无机陶瓷膜是今后高效分离技术领域重要的发展方向。
近年来，化工、冶金、电力、石油等行业的废水处理回用和原油加工、石化产品生产等行业的有机溶剂回用处理；天然气利用和输送中的脱水、脱二氧化碳和脱硫化氢，以及实现煤的清洁利用；发酵工业和过程工业中恒沸体系的分离及物料脱水等行业和领域，均亟待开发高性能的膜材料。以上行业的需求，推动的膜材料的开发和技术提升，特别是如何提生膜材料在严酷环境下(强酸碱、高温、强热震等)的使用寿命问题。
围绕提升无机陶瓷膜材料在严酷环境下的使用寿命问题，主要有两个阶段，第一阶段使用耐高温、耐腐蚀的原材料作为骨料，比如使用碳化硅膜替代氧化铝膜；第二阶段提升粘结剂材料的耐高温、耐腐蚀性能，比如骨料间的粘结由磷酸盐粘结改变为莫来石粘结，甚至采用氮化硅结合碳化硅。经过这两个阶段的改善，现有的无机陶瓷膜材料在严酷环境的使用寿命有了大幅的提升，但是其粘结材料的性能仍然是现有无机陶瓷膜材料的薄弱环节，仍然有很大的提升空间。
发明内容
本发明提供了一种纯碳化硅多孔陶瓷膜的制备方法，所得碳化硅陶瓷膜制品抗弯强度高，气孔率大。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种纯碳化硅多孔陶瓷膜的制备方法，包括有以下步骤：
1)碳化硅素胚的成型
A1、原材料选取：碳化硅粉Ⅰ、碳化硅粉Ⅱ、低密度聚乙烯、邻苯二甲酸二丁酯按质量比100:10-15:4-8:0.1-0.4选取备用；
B1、原材料混合：按比例选取的原材料在120℃的温度下混合形成均匀的混合物；
C1、碳化硅素胚的成型：将步骤B1所得的混合物放入挤出成型机，成型为多通道管状素胚；
2)碳化硅膜层的涂覆
A2、碳化硅膜层浆液制备：水、碳化硅粉Ⅲ、碳化硅粉Ⅵ、纤维素醚按质量比100:30-40:3-5：0.08-0.4混合均匀，制得碳化硅膜层浆液；
B2、碳化硅膜层的涂覆：将膜层浆液注入按步骤1)制备的多通道管状素胚的通道中，流动15-25s，制得碳化硅胚体；
3)纯碳化硅多孔陶瓷的烧结
A3、干燥：将步骤2)制备的碳化硅胚体置于烘箱中干燥；
B3、烧结：将通过步骤A3干燥后的试件置于空气气氛炉中保温，再置于真空炉内保温，最后随炉冷却至室温，制得纯碳化硅多孔陶瓷膜材料。
按上述方案，步骤3)所述的干燥温度为105-120℃，干燥时间3-4h。
按上述方案，空气气氛炉中保温温度为550-650℃，保温时间为2-5h；真空炉内保温温度为2000-2200℃，保温时间为1-5h。
按上述方案，步骤1)中所述的碳化硅粉Ⅰ平均粒径为70-90μm，纯度大于98％；碳化硅粉Ⅱ平均粒径为3-5μm，纯度大于98％；低密度聚乙烯的软化点80-90℃。
按上述方案，步骤2)中所述的碳化硅粉Ⅲ平均粒径为10-20μm，纯度大于98％；碳化硅粉Ⅵ平均粒径为1-4μm，纯度大于98％；纤维素醚为羟甲基纤维素醚或羟乙基纤维素醚，分子量为20000。
本发明材料组成中主要由不同粒度的碳化硅粉组成，其中粒径小于7μm的碳化硅颗粒在大于2000℃的条件下，会发生蒸发和重结晶的过程，该过程会把颗粒较大的颗粒粘接在一起，使碳化硅陶瓷具有一定的强度，从而形成纯碳化硅的结构。因为碳化硅相比于其他的粘接剂，比如莫来石相、磷酸盐等，具有更为优异的抗热震性能和耐酸碱性能，使纯碳化硅陶瓷膜具有能够在跟苛刻的服役环境下使用，且具有优异的使用耐久性。在组成中加入低密度的聚乙烯和邻苯二甲酸二丁酯，能够将碳化硅粉在成型时粘结在一起，并使胚体具有一定的强度和柔韧性，防止在干燥和升温过程中胚体开裂，此外在高温情况下，低密度的聚乙烯和邻苯二甲酸二丁酯发生氧化并挥发，在胚体内能够形成大量的连通孔隙，起到早期粘结和造孔的作用，在纯碳化硅陶瓷膜内几乎不残留。
本发明的有益效果在于：由于碳化硅相比氧化铝、堇青石、莫来石等具有良好的耐高温、耐腐蚀和抗热震性能，本发明提出由细颗粒的碳化硅作为粘结剂，将大颗粒的碳化硅作为骨料，复合造孔剂等材料，形成一种纯碳化硅多孔陶瓷膜材料，必将大幅提升膜材料的耐高温、耐腐蚀和抗热震性能，极大的拓宽了无机陶瓷膜的使用范围和在严酷条件下的使用寿命，具有广阔的应用前景，本发明所得碳化硅陶瓷膜制品的抗弯强度≥30MPa，气孔率≥40％，1200℃～28℃热冲击循环＞55次、气体渗透系数＞2000m3/(m2·h)·(0.1MPa)、纯水通量＞5m3/(m2h)、pH值耐受范围0-14。
附图说明
图1为本发明的实施例1所得碳化硅陶瓷膜材料的微观形貌图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步详细的说明，但是此说明不会构成对本发明的限制。
实施例1：
1)碳化硅素胚的成型
A1、原材料选取：碳化硅粉Ⅰ、碳化硅粉Ⅱ、低密度聚乙烯、邻苯二甲酸二丁酯按质量比100:10:4:0.1选取备用；
B1、原材料混合：按比例选取的原材料在120℃的温度下混合形成均匀的混合物；
C1、碳化硅素胚的成型：将步骤B1所得的混合物放入挤出成型机，成型为多通道管状素胚。
2)碳化硅膜层的涂覆
A2、碳化硅膜层浆液制备：水、碳化硅粉Ⅲ、碳化硅粉Ⅵ、纤维素醚按质量比100:30:3：0.08混合均匀，制得碳化硅膜层浆液；
B2、碳化硅膜层的涂覆：将膜层浆液注入按步骤1)制备的素胚的通道中，流动15s，制得碳化硅胚体。
3)纯碳化硅多孔陶瓷的烧结
A3、干燥：将步骤2)制备的碳化硅胚体置于105℃的烘箱中干燥4h；
B3、烧结：将通过步骤A3干燥后的试件置于550℃的空气气氛炉中保温5h，再置于2000℃的真空炉内保温5h，最后随炉冷却至室温，制得纯碳化硅多孔陶瓷膜材料。
步骤1)中所述的碳化硅粉Ⅰ平均粒径为70μm，纯度99％；碳化硅粉Ⅱ平均粒径为3μm，纯度99％；低密度聚乙烯的软化点80℃。
步骤2)中所述的碳化硅粉Ⅲ平均粒径为10μm，纯度99％；碳化硅粉Ⅵ平均粒径为1μm，纯度大于99％；纤维素醚为羟乙基纤维素醚，分子量为20000。
图1为本发明制备出材料的微观照片，如图1所示，通过本发明介绍的方法，制备出了一种纯碳化硅多孔陶瓷膜。
本发明得到抗弯强度40MPa，气孔率43％，1200℃～28℃热冲击循环58次、气体渗透系数2500m3/(m2·h)·(0.1MPa)、纯水通量10m3/(m2h)、pH值耐受范围0-14的碳化硅陶瓷膜制品。
实施例2：
1)碳化硅素胚的成型
A1、原材料选取：碳化硅粉Ⅰ、碳化硅粉Ⅱ、低密度聚乙烯、邻苯二甲酸二丁酯按质量比100:13:6:0.3选取备用；
B1、原材料混合：按比例选取的原材料在120℃的温度下混合形成均匀的混合物；
C1、碳化硅素胚的成型：将步骤B1所得的混合物放入挤出成型机，成型为多通道管状素胚。
2)碳化硅膜层的涂覆
A2、碳化硅膜层浆液制备：水、碳化硅粉Ⅲ、碳化硅粉Ⅵ、纤维素醚按质量比100:35:4：0.3混合均匀，制得碳化硅膜层浆液；
B2、碳化硅膜层的涂覆：将膜层浆液注入按步骤1)制备的素胚的通道中，流动20s，制得碳化硅胚体。
3)纯碳化硅多孔陶瓷的烧结
A3、干燥：将步骤2)制备的碳化硅胚体置于110℃的烘箱中干燥3.6h；
B3、烧结：将通过步骤A3干燥后的试件置于600℃的空气气氛炉中保温3h，再置于2100℃的真空炉内保温3h，最后随炉冷却至室温，制得纯碳化硅多孔陶瓷膜材料。
步骤1)中所述的碳化硅粉Ⅰ平均粒径为80μm，纯度99％；碳化硅粉Ⅱ平均粒径为4μm，纯度99％；低密度聚乙烯的软化点85℃。
步骤2)中所述的碳化硅粉Ⅲ平均粒径为15μm，纯度99％；碳化硅粉Ⅵ平均粒径为3μm，纯度99％；纤维素醚为羟乙基纤维素醚，分子量为20000。
本发明得到抗弯强度43MPa，气孔率42％，1200℃～28℃热冲击循环61次、气体渗透系数2800m3/(m2·h)·(0.1MPa)、纯水通量11m3/(m2h)、pH值耐受范围0-14的碳化硅陶瓷膜制品。
实施例3：
1)碳化硅素胚的成型
A1、原材料选取：碳化硅粉Ⅰ、碳化硅粉Ⅱ、低密度聚乙烯、邻苯二甲酸二丁酯按质量比100:15:8:0.4选取备用；
B1、原材料混合：按比例选取的原材料在120℃的温度下混合形成均匀的混合物；
C1、碳化硅素胚的成型：将步骤B1所得的混合物放入挤出成型机，成型为多通道管状素胚。
2)碳化硅膜层的涂覆
A2、碳化硅膜层浆液制备：水、碳化硅粉Ⅲ、碳化硅粉Ⅵ、纤维素醚按质量比100:40:5：0.4混合均匀，制得碳化硅膜层浆液；
B2、碳化硅膜层的涂覆：将膜层浆液注入按步骤1)制备的素胚的通道中，流动25s，制得碳化硅胚体。
3)纯碳化硅多孔陶瓷的烧结
A3、干燥：将步骤2)制备的碳化硅胚体置于120℃的烘箱中干燥4h；
B3、烧结：将通过步骤A3干燥后的试件置于650℃的空气气氛炉中保温2h，再置于2200℃的真空炉内保温1h，最后随炉冷却至室温，制得纯碳化硅多孔陶瓷膜材料。
步骤1)中所述的碳化硅粉Ⅰ平均粒径为90μm，纯度99％；碳化硅粉Ⅱ平均粒径为5μm，纯度99％；低密度聚乙烯的软化点,90℃。
步骤2)中所述的碳化硅粉Ⅲ平均粒径为20μm，纯度99％；碳化硅粉Ⅵ平均粒径为4μm，纯度99％；纤维素醚为羟甲基纤维素醚，分子量为20000。
本发明得到抗弯强度41MPa，气孔率42％，1200℃～28℃热冲击循环60次、气体渗透系数2700m3/(m2·h)·(0.1MPa)、纯水通量9m3/(m2h)、pH值耐受范围0-14的碳化硅陶瓷膜制品。
Claims (5)
1.一种纯碳化硅多孔陶瓷膜的制备方法，包括有以下步骤：
1)碳化硅素胚的成型
A1、原材料选取：碳化硅粉Ⅰ、碳化硅粉Ⅱ、低密度聚乙烯、邻苯二甲酸二丁酯按质量比100:10-15:4-8:0.1-0.4选取备用；
B1、原材料混合：按比例选取的原材料在120℃的温度下混合形成均匀的混合物；
C1、碳化硅素胚的成型：将步骤B1所得的混合物放入挤出成型机，成型为多通道管状素胚；
2)碳化硅膜层的涂覆
A2、碳化硅膜层浆液制备：水、碳化硅粉Ⅲ、碳化硅粉Ⅵ、纤维素醚按质量比100:30-40:3-5：0.08-0.4混合均匀，制得碳化硅膜层浆液；
B2、碳化硅膜层的涂覆：将膜层浆液注入按步骤1)制备的多通道管状素胚的通道中，流动15-25s，制得碳化硅胚体；
3)纯碳化硅多孔陶瓷的烧结
A3、干燥：将步骤2)制备的碳化硅胚体置于烘箱中干燥；
B3、烧结：将通过步骤A3干燥后的试件置于空气气氛炉中保温，再置于真空炉内保温，最后随炉冷却至室温，制得纯碳化硅多孔陶瓷膜材料。
2.根据权利要求1所述的一种纯碳化硅多孔陶瓷膜的制备方法，其特征在于步骤3)所述的干燥温度为105-120℃，干燥时间3-4h。
3.根据权利要求1所述的一种纯碳化硅多孔陶瓷膜的制备方法，其特征在于空气气氛炉中保温温度为550-650℃，保温时间为2-5h；真空炉内保温温度为2000-2200℃，保温时间为1-5h。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种纯碳化硅多孔陶瓷膜的制备方法，其特征在于步骤1)中所述的碳化硅粉Ⅰ平均粒径为70-90μm，纯度大于98％；碳化硅粉Ⅱ平均粒径为3-5μm，纯度大于98％；低密度聚乙烯的软化点80-90℃。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种纯碳化硅多孔陶瓷膜的制备方法，其特征在于步骤2)中所述的碳化硅粉Ⅲ平均粒径为10-20μm，纯度大于98％；碳化硅粉Ⅵ平均粒径为1-4μm，纯度大于98％；纤维素醚为羟甲基纤维素醚或羟乙基纤维素醚，分子量为20000。
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