CN107051224A - 一种超疏水Al2O3陶瓷复合膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超疏水三氧化铝陶瓷复合膜，具体说是用三氧化铝(Al2O3)和粉煤灰为主要原料，以丙烯酰胺(AM)或异丙烯酰胺为前驱体，甲叉双丙烯酰胺(MBA)为交联剂，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)或聚丙烯酸(PAA)为分散剂，N‑N二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂，经过溶液共混制坯、高温煅烧制备支撑体、PDMS表面输水改性等处理得到通透性能好、力学强度高、化学性质稳定的超疏水Al2O3陶瓷复合膜。该陶瓷复合膜有望用于油包水乳液的分离处理，具有操作简单、成本低廉、可循环使用等优势。

Description

一种超疏水Al2O3陶瓷复合膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种超疏水Al2O3陶瓷复合膜及其制备方法，具体说是用Al2O3和粉煤灰的混合物作支撑体，采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面改性法制备表面超疏水的Al2O3陶瓷复合膜，属于陶瓷膜疏水改性技术领域。
背景技术
陶瓷膜具有化学稳定性好、力学性能强、热稳定性高、再生性能好等特点，因此在含油污水处理、饮用水净化、高温烟气处理、大气中微粒如过滤和粉尘收集等方面获得了越来越广泛的应用。制备陶瓷膜的方法主要有固体粒子烧结法、薄膜沉淀法和溶胶-凝胶法等。本发明采用的是固体粒子烧结法，该方法制备出的陶瓷膜具有无大孔缺陷、结合强度高、渗透性能良好等优势，该方法是将无机粉体微小颗粒或超细颗粒(粒度0.1～10μm)与适当的介质混合分散形成稳定的悬浮液，加热成型后干燥，最后在高温(1000～1600℃)下进行烧结。但是烧结之后制备出的支撑体是超亲水材料，要达到表面具有超疏水性能需要对其进行表面修饰。
PDMS具有机聚合物及无机材料的特性，是一种典型的憎水材料，还具有价格低廉、加工简单、良好的化学稳定性、透光性以及生物兼容性等特点[张林.一种疏水改性PDMS膜及其制备方法[P]，中国，200810163308.2，2009-06-17]，并可以运用其疏水特性对膜材料表面进行改性[赵长伟，李继定，赵之平，等.PDMS有机硅膜的制备及其渗透汽化脱硫的研究[J].膜科学与技术，2006，26(5)：72-75.]。
本发明以Al2O3和粉煤灰作为支撑体的主要原料，粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物，其主要成分为SiO2和Al2O3，含量占粉煤灰总质量的60％以上。粉煤灰可以作为致孔剂，减少Al2O3的用量，降低成本；利用粉煤灰疏松多孔可以增大陶瓷膜的通量。经过共混制坯、高温煅烧、PDMS表面浸涂等工艺步骤，能形成力学强度较大、化学性能稳定的超疏水Al2O3陶瓷复合膜。
发明内容
本发明的目的是，提出一种超疏水三氧化二铝复合陶瓷膜及其制备方法，主要包括：以Al2O3粉末和粉煤灰为原料，溶液共混制坯；高温煅烧制备支撑体；然后用PDMS浸涂法对支撑体表面进行改性。具体步骤如下：
1、溶液共混制坯：将Al2O3、粉煤灰、前驱体、交联剂、分散剂和溶剂分别置于圆底烧瓶中并混合均匀，之后置于冰水浴中并加入引发剂，搅拌充分后将混合溶液倒入模具中静置，于烘箱中烘干得到生坯。
所述Al2O3和粉煤灰为主要原料，粒径大小分别为0.5～1μm，5～10μm；二者质量比为25/75～50/50。
所述前驱体为丙烯酰胺(AM)或异丙烯酰胺(NIPA)中的任意一种，与Al2O3和粉煤灰质量总和之比为6/100～10/100。
所述交联剂为甲叉双丙烯酰胺(MBA)，与所述前躯体的质量比为7/100～9/100。
所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)或聚丙烯酸(PAA)中的任意一种，与Al2O3和粉煤灰质量总和之比为3/100～5/100。
所述溶剂为N-N二甲基甲酰胺(DMF)，与Al2O3和粉煤灰质量总和之比为40/100～50/100。
所述引发剂为过硫酸铵(APS)或过硫酸钾(KPS)中的任意一种，与所述前躯体的质量比为6/10～7/10。
2、支撑体烧结：采用固态粒子烧结法对步骤1得到的生坯进行高温烧结，具体烧结方式是经300min将支撑体从室温升至800℃并保温至少1h；再以一定的升温速率将温度升至1150℃或1250℃并保温至少2h，完成烧结。
3、表面改性：将PDMS溶于溶剂正己烷中，加入交联剂正硅酸乙酯、催化剂二月桂酸二丁基锡配置成溶液，它们的质量分数比为PDMS∶正己烷∶正硅酸乙酯∶二月桂花二丁基锡＝3～4份∶95～96份∶0.6～0.8份∶0.3～0.4份。将步骤2制得的支撑体在上述溶液中浸泡至少30s，使其表面产生一层PDMS有机薄膜，干燥后备用。
本发明有益效果：经过上述步骤制备出的Al2O3陶瓷复合膜具有超疏水性、亲油性，化学性质稳定，力学强度高，以期用于油包水乳液的分离提纯。
附图说明
图1是超疏水Al2O3陶瓷复合膜的制备工艺流程图。
图2是PDMS改性前后复合膜表面的电镜图：(a)PDMS改性前，(b)PDMS改性后。
图3是材料表面接触角对比测试图：(a)PDMS法改性前，(b)PDMS法改性后。
具体实施方式
实施例1：
(1)溶液共混制坯：取10gα-Al2O3，30g粉煤灰，2.6g丙烯酰胺(AM)，0.2g甲叉双丙烯酰胺(MBA)，1.5g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，20ml N，N-二甲基甲酰胺(DMF)混合搅拌8h，之后在冰水浴的条件下加入1.8g过硫酸铵(APS)，搅拌10min后将其倒入模具，静置2h后将其烘干。
(2)支撑体烧结：将步骤(1)中烘干后的坯进行高温烧结，具体烧结方式是经300min将支撑体从室温升温升至800℃并保温1h；再经120min将温度升至1150℃并保温2.5h，完成烧结。
(3)表面改性：将0.6g PDMS，16.4g正己烷，0.12g正硅酸乙酯在烧杯中混合搅拌，搅拌30min之后加入0.06g二月桂酸二丁基锡继续搅拌配置成溶液。将步骤(2)制得的支撑体在上述溶液中浸泡30s，使其表面产生一层PDMS有机薄膜。
PDMS改性前后膜表面电镜如图3(a)、(b)所示，可以看到改性后膜表面产生的PDMS薄膜。所制得膜表面改性前后接触角分别如说明书附图3(a)、(b)所示，改性前膜表面接触角为8.7°左右，经改性之后膜表面接触角为162°左右，说明表面具有超疏水特性。
实施例2：
(1)溶液共混制坯：取α-Al2O3(平均粒径为600nm)20g，粉煤灰20g，2.6g NIPAM，用1.5g AM，其它组分及用量同实施例1中步骤(1)。
(2)支撑体烧结：具体烧结方式是经300min将支撑体从室温升温升至800℃并保温1h；再经120min将温度升至1150℃并保温2h，完成烧结。
(3)表面改性：PDMS混合溶液配置如同实施例1中步骤(3)，将步骤(2)制得的支撑体在PDMS溶液中浸泡50s。
实施例2制得的支撑体与实施例1相比表面机糙度变大，通量减小，改性之后的超疏水性能无明显区别。
实施例3：
(1)溶液共混制坯：实施过程同实施例1中步骤(1)。
(2)支撑体烧结：烧结过程改为经300min将支撑体从室温升温升至800℃并保温1.5h；再经150min将温度升至1250℃并保温2h，完成烧结。
(3)表面改性：PDMS表面改性过程同实施例1中步骤(3)。
该实施例中，最终烧结温度较高，使得支撑体的粒径减小、孔径减小，力学强度增加，但材料表面形貌和超疏水性能无明显变化。

Claims (9)

1.一种超疏水Al2O3陶瓷复合膜及其制备方法，其特征在于：以Al2O3粉末和粉煤灰为原料，溶液共混制生坯；高温煅烧制备支撑体；然后用PDMS浸涂法对支撑体表面进行改性。
具体工艺步骤如下：
(1)溶液共混制坯：将Al2O3、粉煤灰、前驱体、交联剂、分散剂和溶剂分别置于圆底烧瓶中并混合均匀，之后置于冰水浴中并加入引发剂，搅拌充分后将混合溶液倒入模具中静置，于烘箱中烘干得到生坯。
(2)高温煅烧制备支撑体：采用固态粒子烧结法对步骤1得到的生坯进行高温烧结，具体烧结方式是经300min将生坯从室温升至800℃并保温至少1h；再以一定的升温速率将温度升至1150℃或1250℃并保温至少2h，完成烧结。
(3)表面改性：将PDMS溶于溶剂正己烷中，加入交联剂正硅酸乙酯、催化剂二月桂酸二丁基锡配置成溶液，它们的质量分数比为PDMS∶正己烷∶正硅酸乙酯∶二月桂花二丁基锡＝3～4份∶95～96份∶0.6～0.8份∶0.3～0.4份。将步骤(2)制得的支撑体在上述溶液中浸泡至少30s，使其表面产生一层PDMS有机薄膜，干燥后备用。
2.按权利要求1(1)中所述Al2O3和粉煤灰为主要原料，粒径大小分别为0.5～1μm，5～10μm；二者质量比为25/75～50/50。
3.按权利要求1(1)中所述前驱体为丙烯酰胺(AM)或异丙烯酰胺(NIPA)中的任意一种，与Al2O3和粉煤灰质量总和之比为6/100～10/100。
4.按权利要求1(1)中所述交联剂为甲叉双丙烯酰胺(MBA)，与所述前躯体的质量比为7/100～9/100。
5.按权利要求1(1)中所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)或聚丙烯酸(PAA)中的任意一种，与Al2O3和粉煤灰质量总和之比为3/100～5/100。
6.按权利要求1(1)中所述溶剂为N-N二甲基甲酰胺(DMF)，与Al2O3和粉煤灰质量总和之比为40/100～50/100。
7.按权利要求1(1)中所述引发剂为过硫酸铵(APS)或过硫酸钾(KPS)中的任意一种，与所述前躯体的质量比为6/10～7/10。
8.根据权利要求1(2)中所述制备方法，其特征在于：烧结程序为从室温经300min升温至800℃，并保温1～2h，再以一定的升温速率将温度升至1150℃或1250℃并保温2～4h。
9.根据权利要求1(3)中所述制备方法，其特征在于：采用PDMS浸涂法对支撑体表面进行疏水改性，浸涂时间优选30～50s。
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