CN106699222A - 高性能平板陶瓷膜支撑体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无机非金属材料领域的多孔陶瓷材料领域，具体涉及一种高性能平板陶瓷膜支撑体及其制备方法。一种高性能平板陶瓷膜支撑体，它包括以下重量百分比的原料组分：氧化铝粉70～90％、短切纤维3～10％、造孔剂0～15％、硅溶胶5～20％、水10～30％、润滑剂0.5～3％。本发明在支撑体中引入了短切纤维，有效地提高了支撑体断裂时的能量消耗，将脆性断裂转化为非脆性断裂，在保证平板陶瓷膜支撑体高透水率及耐酸碱腐蚀性的同时，有效地提高了机械强度和断裂韧性，能够有效解决目前平板陶瓷膜支撑体普遍存在的脆性大的问题。

Description

高性能平板陶瓷膜支撑体及其制备方法
技术领域
本发明属于无机非金属材料领域的多孔陶瓷材料领域，具体涉及一种高性能平板陶瓷膜支撑体及其制备方法。
背景技术
平板陶瓷膜是新一代陶瓷膜技术，采用Al2O3、ZrO2、TiO2、SiO2、SiC等无机材料，利用中国千年传统烧结工艺制备而成。它主要是依据“物理筛分”理论，根据在一定的膜孔径范围内渗透的物质分子直径不同则渗透率不同，利用压力差为推动力，使小分子物质可以通过，大分子物质则被截留，从而实现它们之间的分离。平板陶瓷膜具有过滤面积大、分离效率高、效果稳定、化学稳定性好、耐酸碱、耐有机溶剂、耐菌、耐高温、抗污染、机械强度高、再生性能好、分离过程简单、能耗低、操作维护简便、使用寿命长等众多优势，将在人类面临的能源、资源、环境和健康等重要领域发挥关键作用，其应用市场涉及食品工业、化工与石油化工、生物医药、环保及能源等诸多领域。
平板陶瓷膜是由起分离作用的膜和起支撑作用的支撑体所组成。膜的性能不仅取决于自身，还与支撑体的表面质量以及微观结构参数(孔径大小及其分布、空隙率等)密切相关。此外，支撑体还必须具备一定的机械强度，以满足膜分离器的组装、操作方面的要求，以及可控的微观结构方面的要求。
但是，目前平板陶瓷膜支撑体存在的较大的问题是容易发生脆性断裂，给生产、运输和使用带来较大的困扰。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种高性能平板陶瓷膜支撑体及其制备方法，在保证平板陶瓷膜支撑体高透水率及耐酸碱腐蚀性的同时，该支撑体具有更高的机械强度和断裂韧性，有效地解决了目前平板陶瓷膜支撑体普遍存在的脆性大的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种高性能平板陶瓷膜支撑体，它包括以下重量百分比的原料组分：
进一步地，所述硅溶胶为碱性，固含量为10～50％。
进一步地，所述氧化铝粉的D50为1～50μm。
进一步地，所述短切纤维为多晶莫来石纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、氧化锆纤维或含锆硅酸铝纤维，短切纤维纤维直径为1～10μm，长径比为10～30。
进一步地，所述造孔剂为淀粉、石墨粉、木炭粉或活性炭粉中的一种或几种；所述润滑剂为甘油、硅油、聚酯或油酸中的一种或几种。
一种高性能平板陶瓷膜支撑体的制备方法，包括以下步骤：
(1)将氧化铝粉、短切纤维、造孔剂在强力混料机中混合均匀；
(2)将硅溶胶、水及润滑剂混合均匀后，加入到步骤(1)的粉料中，并混合均匀；
(3)将步骤(2)所得的固体原料放到捏合机中，进行充分捏合；
(4)将步骤(3)所得的泥料置入真空练泥机中真空练制；
(5)将步骤(4)所得的泥料密封陈腐24h以上；
(6)将步骤(5)所得的泥料采用挤出成型法成型；
(7)将步骤(6)所得的成型坯体干燥、烧结后得到平板陶瓷膜支撑体。
进一步地，步骤(1)所述的加料顺序为，先将短切纤维加入到混料机中打散，再依次加入氧化铝粉和造孔剂。
进一步地，步骤(3)所述的捏合时间不低于0.5h，捏合温度不高于50℃。
进一步地，步骤(4)所述的真空练制，其相对真空度不低于60％，泥料练制次数不低于3次；步骤(6)所述的挤出成型速度为0.5～4m/min。
进一步地，步骤(7)所述的坯体干燥方式为微波干燥，所述的烧结方式为梭式窑、隧道窑或辊道窑烧结，烧结温度为1200～1500℃。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明在支撑体中引入了短切纤维，有效地提高了支撑体断裂时的能量消耗，将脆性断裂转化为非脆性断裂，在保证平板陶瓷膜支撑体高透水率及耐酸碱腐蚀性的同时，有效地提高了机械强度和断裂韧性，能够有效解决目前平板陶瓷膜支撑体普遍存在的脆性大的问题。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步解释：
实施例1
本发明所述的支撑体其配比组成为，以重量百分数计：纤维直径为3～5μm、平均长径比为30的短切多晶莫来石纤维5％，粒径为3μm的α-Al2O3粉85％，淀粉10％，水(去离子水)15％，硅溶胶8％，硅油1％。
制备方法：
(1)将按比例称取的氧化铝粉、短切多晶莫来石纤维、淀粉在强力混料机中混合均匀。
(2)将硅溶胶、去离子水和甘油混合均匀后，加入到步骤(1)的粉料中，并混合均匀。
(3)将步骤(2)所得的固体原料放到捏合机中，进行充分捏合，控制捏合温度不高于50℃，捏合时间1h。
(4)将步骤(3)所得的泥料置入真空练泥机中真空练制，泥料练制次数为3次。
(5)将步骤(4)所得的泥料密封陈腐24h以上。
(6)将步骤(5)所得的陈腐好的泥料装入真空挤出机中挤出成型，控制挤出速度为1m/min。
(7)将步骤(6)挤出的生坯放置在多孔垫板上微波干燥，干燥后的坯体在梭式窑中烧结，烧结温度为1250℃，保温时间为3h，制备出高性能平板陶瓷膜支撑体。
所得产品的气孔率为46％，孔径为2.8μm，常温抗压强度为37.6MPa，常温抗折强度为22.4MPa，在0.04MPa压力下水通量为1.3m3/(m2·h)。
实施例2
本发明所述的支撑体其配比组成为，以重量百分数计：纤维直径为4～6μm、平均长径比为20的硅酸铝粗纤维8％，粒径为20μm的α-Al2O3粉84％，活性炭粉8％，水(去离子水)20％，硅溶胶6％，硅油2％。
制备方法：
(1)将按比例称取的氧化铝粉、硅酸铝粗纤维、活性炭粉在强力混料机中混合均匀。
(2)将硅溶胶、去离子水和硅油混合均匀后，加入到步骤(1)的粉料中，并混合均匀。
(3)将步骤(2)所得的固体原料放到捏合机中，进行充分捏合，控制捏合温度不高于50℃，捏合时间1h。
(4)将步骤(3)所得的泥料置入真空练泥机中真空练制，泥料练制次数为3次。
(5)将步骤(4)所得的泥料密封陈腐24h以上。
(6)将步骤(5)所得的陈腐好的泥料装入真空挤出机中挤出成型，控制挤出速度为1m/min。
(7)将步骤(6)挤出的生坯放置在多孔垫板上微波干燥，干燥后的坯体在梭式窑中烧结，烧结温度为1250℃，保温时间为3h，制备出高性能平板陶瓷膜支撑体。
所得产品的气孔率为50％，孔径为6.3μm，常温抗压强度为33.1MPa，常温抗折强度为21.3MPa，在0.04MPa压力下水通量为3.5m3/(m2·h)。
实施例3
本发明所述的支撑体其配比组成为，以重量百分数计：纤维直径为7～9μm、平均长径比为15的石英纤维3％，粒径为30μm的α-Al2O3粉82％，淀粉15％，水(去离子水)20％，硅溶胶6％，油酸3％。
制备方法：
(1)将按比例称取的氧化铝粉、石英纤维、淀粉在强力混料机中混合均匀。
(2)将硅溶胶、去离子水和油酸混合均匀后，加入到步骤(1)的粉料中，并混合均匀。
(3)将步骤(2)所得的固体原料放到捏合机中，进行充分捏合，控制捏合温度不高于50℃，捏合时间1h。
(4)将步骤(3)所得的泥料置入真空练泥机中真空练制，泥料练制次数为3次。
(5)将步骤(4)所得的泥料密封陈腐24h以上。
(6)将步骤(5)所得的陈腐好的泥料装入真空挤出机中挤出成型，控制挤出速度为1m/min。
(7)将步骤(6)挤出的生坯放置在多孔垫板上微波干燥，干燥后的坯体在梭式窑中烧结，烧结温度为1280℃，保温时间为3h，制备出高性能平板陶瓷膜支撑体。
所得产品的气孔率为52％，孔径为10.4μm，常温抗压强度为31.9MPa，常温抗折强度为20.3MPa，在0.04MPa压力下水通量为4.8m3/(m2·h)。

Claims (10)

1.一种高性能平板陶瓷膜支撑体，其特征在于，它包括以下重量百分比的原料组分：
2.根据权利要求1所述的高性能平板陶瓷膜支撑体，其特征在于，所述硅溶胶为碱性，固含量为10～50％。
3.根据权利要求1所述的高性能平板陶瓷膜支撑体，其特征在于，所述氧化铝粉的D50为1～50μm。
4.根据权利要求1所述的高性能平板陶瓷膜支撑体，其特征在于，所述短切纤维为多晶莫来石纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、氧化锆纤维或含锆硅酸铝纤维，短切纤维纤维直径为1～10μm，长径比为10～30。
5.根据权利要求1所述的高性能平板陶瓷膜支撑体，其特征在于，所述造孔剂为淀粉、石墨粉、木炭粉或活性炭粉中的一种或几种；所述润滑剂为甘油、硅油、聚酯或油酸中的一种或几种。
6.如权利要求1～5任一所述的高性能平板陶瓷膜支撑体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将氧化铝粉、短切纤维、造孔剂在强力混料机中混合均匀；
(2)将硅溶胶、水及润滑剂混合均匀后，加入到步骤(1)的粉料中，并混合均匀；
(3)将步骤(2)所得的固体原料放到捏合机中，进行充分捏合；
(4)将步骤(3)所得的泥料置入真空练泥机中真空练制；
(5)将步骤(4)所得的泥料密封陈腐24h以上；
(6)将步骤(5)所得的泥料采用挤出成型法成型；
(7)将步骤(6)所得的成型坯体干燥、烧结后得到平板陶瓷膜支撑体。
7.根据权利要求6所述的高性能平板陶瓷膜支撑体的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的加料顺序为，先将短切纤维加入到混料机中打散，再依次加入氧化铝粉和造孔剂。
8.根据权利要求6所述的高性能平板陶瓷膜支撑体的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述的捏合时间不低于0.5h，捏合温度不高于50℃。
9.根据权利要求6所述的高性能平板陶瓷膜支撑体的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述的真空练制，其相对真空度不低于60％，泥料练制次数不低于3次；步骤(6)所述的挤出成型速度为0.5～4m/min。
10.根据权利要求6所述的高性能平板陶瓷膜支撑体的制备方法，其特征在于，步骤(7)所述的坯体干燥方式为微波干燥，所述的烧结方式为梭式窑、隧道窑或辊道窑烧结，烧结温度为1200～1500℃。
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