CN104261868B - 一种氮化硅结合碳化硅多孔陶瓷膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及氮化硅结合碳化硅多孔陶瓷膜的制备方法，包括有以下步骤：1)素胚的成型；2)膜层的涂覆；3)烧结。本发明的有益效果在于：本发明利用氮化硅结合碳化硅陶瓷耐高温、抗氧化、抗腐蚀、抗热震性能好的特点，制备具有高连通孔隙结构的氮化硅结合碳化硅多孔陶瓷膜材料，在高温使用环境，比如高温气固分离、高温液固分离、高温催化载体等方面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，具体的是涉及一种氮化硅结合碳化硅多孔陶瓷膜的制备方法。
背景技术
膜技术是当代新型高效分离技术，与传统分离技术比较，具有高效、节能、环境友好、耐久等特点，已广泛应用与能源、电子、石油化工、医药卫生、环境等领域。无机陶瓷膜相比有机膜具有耐高温、化学稳定性好等特点成为膜技术的重要发展方向。
围绕无机陶瓷膜材料，目前已经主要形成了氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷膜两大发展方向，其技术特点是以氧化铝或者碳化硅为骨料，以莫来石或堇青石为粘结剂，复合造孔剂，通过高温烧结形成无机陶瓷膜产品，在生活污水处理、高温气体除尘等领域开展了应用。但是随着无机陶瓷膜产品应用面的扩大，在超高温分离领域，以上技术的抗氧化、抗热震性能难以满足使用的要求，导致使用寿命大大缩短。
氮化硅结合碳化硅陶瓷是近年来发展起来的高温结构陶瓷，具有耐高温、抗氧化、抗腐蚀、抗热震性能好等特点，在有色金属、钢铁熔炼及冶炼行业具有应用广泛。目前氮化硅结合碳化硅技术主要用于制备结构陶瓷，即氮化硅结合碳化硅陶瓷是致密的，作为耐火材料使用；也有技术人员将氮化硅结合碳化硅技术用于制备保温材料，即在氮化硅结合碳化硅陶瓷内部形成大量的闭合孔隙。无机陶瓷膜是具有大量连通孔隙的多孔陶瓷，因此无论是用于耐火材料还是保温材料的氮化硅结合碳化硅陶瓷的制备技术均不能直接用于膜分离领域。
发明内容
本发明提供了一种氮化硅结合碳化硅多孔陶瓷膜的制备方法，该方法可制备出抗弯强度≥30MPa，气孔率≥40％，1200℃～28℃热冲击循环＞45次的碳化硅陶瓷膜制品。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种氮化硅结合碳化硅多孔陶瓷膜的制备方法，包括有以下步骤：
1)素胚的成型
A1、原材料选取：金属硅粉、碳化硅粉、低密度聚乙烯、邻苯二甲酸二丁酯、氧化钇按质量比100:10-30:5-10：0.1-0.4：3-4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、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)膜层的涂覆
A2、膜层浆液制备：水、金属硅粉、碳化硅粉、纤维素醚、氧化钇按质量比100:30-40:15-20：0.1-0.5：4-5混合均匀，制得膜层浆液；
B2、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20-30s，制得碳化硅胚体；
3)烧结
A3、干燥：将步骤2)制备的碳化硅胚体置于的烘箱中干燥，再置于烘箱中干燥；
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，再置于氮气气氛炉内保温，最后随炉冷却至室温，制得氮化硅结合碳化硅多孔陶瓷膜材料。
按上述方案，步骤3)所述干燥温度为40-60℃，干燥时间为1-2h。
按上述方案，空气气氛炉保温温度为500-600℃，保温时间为2-3h；氮气气氛炉内保温温度为1300-1500℃，保温时间为3-5h。
按上述方案，步骤1)中所述的碳化硅粉和金属硅粉平均粒径为80-100μm，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、金属硅粉平均粒径为1-10μm，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。
本发明材料组成中金属硅粉、碳化硅粉、氧化钇(烧结助剂)在氮气气氛下，能够生成氮化硅结合碳化硅的陶瓷材料，是本发明的主要科学基础。在组成中加入低密度的聚乙烯和邻苯二甲酸二丁酯，能够将金属硅粉、碳化硅粉、氧化钇粉末粘结在一起，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，在胚体内能够形成大量的连通孔隙。
本发明的有益效果在于：本发明利用氮化硅结合碳化硅陶瓷耐高温、抗氧化、抗腐蚀、抗热震性能好的特点，制备具有高连通孔隙结构的氮化硅结合碳化硅多孔陶瓷膜材料，在高温使用环境，比如高温气固分离、高温液固分离、高温催化载体等方面具有广阔的应用前景，本发明制得的氮化硅结合碳化硅多孔陶瓷膜材料，抗弯强度≥30MPa，气孔率≥40％，1200℃～28℃热冲击循环＞45次，具有良好的耐高温、抗热震性能。
附图说明
图1为本发明的实施例1所得碳化硅多孔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)素胚的成型
A1、原材料选取：金属硅粉、碳化硅粉、低密度聚乙烯、邻苯二甲酸二丁酯、氧化钇按质量比100:10:5：0.1：3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、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)膜层的涂覆
A2、膜层浆液制备：水、金属硅粉、碳化硅粉、纤维素醚、氧化钇按质量比100:30:15：0.1：4混合均匀，制得膜层浆液；
B2、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)烧结
A3、干燥：将步骤2)制备的碳化硅胚体置于40℃的烘箱中干燥1h，再置于105℃的烘箱中干燥3h；
B3、烧结：将通过步骤A3干燥后的试件置于500℃的空气气氛炉中保温2h，再置于1500℃的氮气气氛炉内保温3h，最后随炉冷却至室温，制得氮化硅结合碳化硅多孔陶瓷膜材料。
步骤1)中所述的碳化硅粉、金属硅粉平均粒径为80μm，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、金属硅粉平均粒径为1μm，纯度99％；纤维素醚为羟甲基纤维素醚，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，制备出了氮化硅结合碳化硅多孔陶瓷膜。
本发明制备的氮化硅结合碳化硅多孔陶瓷膜，抗弯强度35MPa，气孔率43％，1200℃～28℃热冲击循环50次。
实施例2：
1)素胚的成型
A1、原材料选取：金属硅粉、碳化硅粉、低密度聚乙烯、邻苯二甲酸二丁酯、氧化钇按质量比100:20:7：0.3：3.5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、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)膜层的涂覆
A2、膜层浆液制备：水、金属硅粉、碳化硅粉、纤维素醚、氧化钇按质量比100:35:18：0.4：4.5混合均匀，制得膜层浆液；
B2、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)烧结
A3、干燥：将步骤2)制备的碳化硅胚体置于45℃的烘箱中干燥1.5h，再置于110℃的烘箱中干燥3.5h；
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2.5h，再置于1400℃的氮气气氛炉内保温4h，最后随炉冷却至室温，制得氮化硅结合碳化硅多孔陶瓷膜材料。
步骤1)中所述的碳化硅粉、金属硅粉平均粒径为90μm，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、金属硅粉平均粒径为5μm，纯度99％；纤维素醚为羟乙基纤维素醚，分子量为20000。
本发明制备的氮化硅结合碳化硅多孔陶瓷膜，抗弯强度36MPa，气孔率42％，1200℃～28℃热冲击循环49次。
实施例3：
1)素胚的成型
A1、原材料选取：金属硅粉、碳化硅粉、低密度聚乙烯、邻苯二甲酸二丁酯、氧化钇按质量比100:30:10：0.4：4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、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)膜层的涂覆
A2、膜层浆液制备：水、金属硅粉、碳化硅粉、纤维素醚、氧化钇按质量比100:40:20：0.5：5混合均匀，制得膜层浆液；
B2、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30s，制得碳化硅胚体。
3)烧结
A3、干燥：将步骤2)制备的碳化硅胚体置于60℃的烘箱中干燥2h，再置于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600℃的空气气氛炉中保温3h，再置于1300℃的氮气气氛炉内保温5h，最后随炉冷却至室温，制得氮化硅结合碳化硅多孔陶瓷膜材料。
步骤1)中所述的碳化硅粉、金属硅粉平均粒径为100μm，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、金属硅粉平均粒径为10μm，纯度99％；纤维素醚为羟乙基纤维素醚，分子量为20000。
本发明制备的氮化硅结合碳化硅多孔陶瓷膜，抗弯强度33MPa，气孔率45％，1200℃～28℃热冲击循环46次。
Claims (3)
1.一种氮化硅结合碳化硅多孔陶瓷膜的制备方法，包括有以下步骤：
1)素坯的成型
A1、原材料选取：金属硅粉、碳化硅粉、低密度聚乙烯、邻苯二甲酸二丁酯、氧化钇按质量比100:10-30:5-10：0.1-0.4：3-4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、素坯的成型：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坯；所述的碳化硅粉和金属硅粉平均粒径为80-100μm，纯度大于98％；；低密度聚乙烯的软化点80-90℃；
2)膜层的涂覆
A2、膜层浆液制备：水、金属硅粉、碳化硅粉、纤维素醚、氧化钇按质量比100:30-40:15-20：0.1-0.5：4-5混合均匀，制得膜层浆液；
B2、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坯的通道中，流动20-30s，制得碳化硅坯体；所述的碳化硅粉、金属硅粉平均粒径为1-10μm，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；
3)烧结
A3、干燥：将步骤2)制备的碳化硅坯体置于的烘箱中干燥，再置于烘箱中干燥；
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，再置于氮气气氛炉内保温，最后随炉冷却至室温，制得氮化硅结合碳化硅多孔陶瓷膜材料。
2.根据权利要求1所述的氮化硅结合碳化硅多孔陶瓷膜的制备方法，其特征在于步骤3)所述干燥温度为40-60℃，干燥时间为1-2h。
3.根据权利要求1所述的氮化硅结合碳化硅多孔陶瓷膜的制备方法，其特征在于空气气氛炉保温温度为500-600℃，保温时间为2-3h；氮气气氛炉内保温温度为1300-1500℃，保温时间为3-5h。
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