CN107973592B - 一种孔径分布均匀的γ-Al2O3陶瓷微滤膜及其制备方法 - Google Patents
一种孔径分布均匀的γ-Al2O3陶瓷微滤膜及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种孔径分布均匀的γ‑Al2O3陶瓷微滤膜及其制备方法,其特征在于以异丙醇铝为前驱体,在高温下水解形成勃姆石溶胶,添加占混合溶胶中勃姆石总量重量百分比15~40%的亲水性纳米级刚性聚合物微球作模板剂。混合均匀后的溶胶放入底部涂有固体石蜡的培养皿中,经室温干燥、冷冻干燥、高温煅烧后得到孔隙率高、孔径可调且孔径分布呈三维有序的γ‑Al2O3陶瓷微滤膜。
Description
技术领域
本发明涉及γ-Al2O3陶瓷微滤膜及其制备方法,具体说是选用单分散的刚性聚合物微球作模板剂,采用溶胶-凝胶法制备孔径分布均匀、孔隙率高的γ-Al2O3陶瓷微滤膜,属于多孔陶瓷膜领域。
背景技术
陶瓷膜具有力学性能强、热稳定性高、抗污染性能优异等特点,因此能够被广泛应用于高温的环境条件下,其制备方法有固体粒子烧结法、薄膜沉淀法和溶胶-凝胶法等。固态粒子烧结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,成型后制成生坯,再经干燥,然后在高温(1000~1600℃)下进行烧结处理,这种方法不仅可以制备微孔陶瓷膜或陶瓷支撑体,也可以用于微孔金属膜。薄膜沉淀法是指用溅射、离子镀、金属镀即气相沉积等方法将膜沉积在支撑体上制备薄膜的方法。溶胶-凝胶技术是一种由金属有机化合物、金属无机化合物或上述两者的混合物经过水解缩聚过程,逐渐凝胶化及相应的后处理,而获得氧化物或其它化合物的新工艺。溶胶-凝胶法具有以下优点:(1)工艺简单,设备要求低;(2)适合大面积制膜,且膜厚度可控制在微米级;(3)薄膜化学组成比较容易控制,能在分子水平上设计制备材料;(4)为顶层膜改性,引入催化剂提供更多方法。
陶瓷膜的渗透性主要由膜的孔隙率、连通度与孔形态等因素决定。目前,通常采用纤维搭建技术和造孔剂法来制备高渗透性陶瓷膜。纤维搭建技术采用纳米金属氧化物纤维作为原材料,在支撑体上无序排列纤维层,使其孔形态多样化,从而提高孔隙率。造孔剂法通过添加造孔剂来提高孔数量,从而提高孔隙率。模板剂法是一种特殊的造孔剂法,其造孔剂具有具体的尺寸和形状,可以达到孔隙有序化,也可以提高孔隙率。模板剂法采用粒径均一的造孔剂,能够有效控制材料的形貌、结构和大小,并制备出孔径均一、选择性高、孔隙率大的一系列纳滤、超滤和微滤多孔陶瓷膜。常用的模板剂主要有有机微球和表面活性剂两大类。 Sadakane等[J.Chem.Mater.,2007,19(23):5779-5785]以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球为模板剂制备出具有三维有序大孔的金属氧化物材料,其孔隙率范围为66%~81%。Pia等(J.Ceram. Inter.,2015,41:11097-11105)分别以粒径250~450μm的聚丙烯(PP)、250~450μm PMMA粉末为模板剂制备多孔陶瓷材料,结果表明,当模板剂含量增加,孔隙率上升。Zhao等[J.Chem. Let.,2007,36(3):464~465、J.Chem.Let.,2008,37(4):420-421]以PMMA微球为模板剂成孔,采用共沉积法制备了三维有序大孔ZrO2、SiO2和Al2O3对称陶瓷膜,其中ZrO2膜的孔隙率达到60%,SiO2膜的孔隙率达到48.1%,但是PMMA不溶于水,在溶液或溶胶中很难分散均匀。 Yun等(J.Ceram.Inter.,2015,41:10788-10794)以直径5μm α-Al2O3为主体,掺入直径20μm的 PMMA粉末作为模板剂,制备的支撑体孔隙率为40%左右。徐建等[J.R.Met.Mater.Engin., 2008,37(2):196~200]以聚苯乙烯(PS)微球或聚集成的胶体为模板剂,采用TiO2-SiO2溶胶与 PS微球聚集体混合旋涂制备出了多孔TiO2-SiO2膜,孔径大小为200~300nm。徐南平等人(中国专利,专利号200510038695.3)在多孔金属或陶瓷支撑体上的涂膜液中添加粒径100~1000 nm的PMMA或PS粉末作模板剂,结果得到的陶瓷膜孔隙率达到了60~80%。
本发明采用亲水性刚性微球做模板剂,能在勃姆石溶胶中分散的更加均匀,经过干燥和煅烧以后能形成孔径分布均匀的、三维有序的陶瓷微滤膜。
发明内容
本发明采用的制备方法主要包括:以异丙醇铝为前驱体,制备出勃姆石溶胶;以无皂乳液聚合法制备羧基化聚苯乙烯(PSA)微球,回流沉淀聚合法制备聚甲基丙烯酸(PMAA)微球;在混合溶胶中添加球形聚合物作模板剂;凝胶的干燥以及煅烧。具体步骤如下:
1、勃姆石溶胶制备:以异丙醇铝为前驱体,异丙醇或乙醇为溶剂,水为水解反应物,硝酸或乙酸为胶溶剂,调节pH至3.5~4.0,聚乙烯醇(PVA)为分散剂,水解和老化温度控制在 85~92℃,水解时间3~6h,老化时间10~16h,然后在50~90℃条件下超声一段时间,直至形成透明稳定的溶胶;
2、PMAA微球制备:在圆底烧瓶中加入甲基丙烯酸(MAA)、偶氮二异丁腈(AIBN)、二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)和乙腈,其中AIBN为单体总量的2wt%,MAA与EGDMA 的体积比为3/2,超声分散均匀后,升温至90℃恒温进行回流反应,2h后停止,然后对分散液超速离心沉降,再用无水乙醇多次洗涤;当单体MAA与交联剂EGDMA在溶剂乙腈中的总体积分数从2.5%增加到5%,相应的PMAA微球粒径从约150nm增大到约500nm;
3、PSA微球制备:在圆底烧瓶中加入蒸馏水、苯乙烯(St)单体和丙烯酸(AA)单体,搅拌下升温至70℃,然后逐滴加入引发剂过硫酸钾(KPS)水溶液,其中苯乙烯与丙烯酸的物质的量之比为10∶3,在70℃下常速搅拌使其反应8h后,将得到的产物用透析袋透析,再旋蒸除去水分,然后60℃真空干燥一段时间即可得到PSA微球,若反应过程中单体总浓度从0.014 g/ml增加到0.028g/ml,则PSA微球粒径从约150nm增加到约200nm;
4、将PSA微球或PMAA微球中的一种分散于水中,然后在室温下将以上分散液加入到上述勃姆石溶胶中,其中微球占勃姆石溶胶中固含量的15~40wt%,搅拌一段时间后超声,使模板剂在溶胶中均匀分散;
5、将第4步得到的溶胶置于底部涂有固体石蜡的培养皿中,室温下干燥,形成凝胶后冷冻干燥,得到含有微球的勃姆石凝胶;
6、对上一步得到的勃姆石凝胶脱模,然后置于陶瓷坩埚中,放入马弗炉中煅烧,升温程序为1℃/min升温至300℃,恒温1~5h,再以1~2℃/min升温至700~900℃,恒温3~5h。
所述第1步所指的超声过程,可以使勃姆石胶粒分散的更加均匀,除去溶胶中的气泡,挥发出部分溶剂,缩短后期干燥时间。
所述第2、3步所得到的聚合物微球,其粒径范围在100~200nm。
所述第5步所指的含有固体石蜡的培养皿,它可以减小凝胶膜在干燥过程中产生的应力,防止开裂(Gajanan B.Kunde,Ganapati D.Yadav,Microporous and MesoporousMaterials,2016,224: 43-50),也便于干燥后脱模。
所述第5步所指的冷冻干燥成型,它可以减少普通干燥成型对坯体造成的收缩(中国专利,专利号200610119248.5),防止干燥过程中凝胶膜开裂。
本发明在勃姆石溶胶中添加的模板剂为球形聚合物,该微球具有亲水性、单分散性和刚性特征,在与勃姆石溶胶混合的过程中,不影响溶胶的稳定性,并且能够与溶胶混合均匀,干燥和煅烧后,制备出的陶瓷膜具有很高的孔隙率和较窄的孔径分布。
附图说明
图1是溶胶凝胶法制备γ-Al2O3陶瓷膜的工艺流程。
图2是实施例1制备的γ-Al2O3陶瓷膜的表面(a)和断面(b)的场发射电镜图。
具体实施方式
实施例1:
(1)勃姆石溶胶的制备:取2.042g异丙醇铝溶于3ml异丙醇中,加热至80℃,向异丙醇溶液中逐滴加入16ml蒸馏水并且不断搅拌,加完后升温至90℃,水解4h,水解过程中使异丙醇完全挥发出去,然后逐滴加入2ml 1 mol/L的硝酸溶液,加完后在90℃条件下搅拌12h,反应结束后将溶胶再在70℃条件下超声4h,并挥发出40%的蒸馏水,得到稳定透明的勃姆石溶胶;
(2)制备PSA微球:在250ml的圆底烧瓶中加入180ml蒸馏水、4.136g St、0.900gAA,不断搅拌并升温至70℃,然后将溶有0.200g KPS的蒸馏水逐滴加入到烧瓶中,反应8h后,用透析袋透析48h,得到的PSA微球平均粒径在200nm左右;
(3)含PSA微球溶胶的制备:取0.34g步骤(2)中制备的PSA微球于2ml蒸馏水中,混合均匀后,将此PSA微球溶液逐滴加入到(1)中得到的勃姆石溶胶中,并且搅拌4h,再在室温下超声一段时间,得到含微球的稳定溶胶;
(4)干燥及煅烧:将(3)中得到的溶胶置于内径5.65cm的底部涂有固体石蜡的培养皿中,然后室温干燥,形成凝胶以后放入冰箱中冻结,再冷冻干燥12h,成型后脱模;再将凝胶膜置于陶瓷坩埚中,放入马弗炉中煅烧,煅烧温度程序为1℃/min升温至300℃,恒温 3h,再以1℃/min升温至700℃,恒温3h,自然冷却以后,得到孔径分布较窄的、三维有序的的γ-Al2O3陶瓷膜。
对所制备的陶瓷膜采用场发射电镜观察(参见说明书附图2),从图中可以看出膜表面孔分布均匀,孔径分布在100nm左右。
实施例2:
(1)勃姆石溶胶的制备:取2.042g异丙醇铝溶于3ml乙醇中,加热至80℃,向异丙醇铝溶液中逐滴加入20ml蒸馏水并且不断搅拌,加完后升温至90℃,水解4h,水解过程中使乙醇完全挥发出去,然后逐滴加入0.252g(0.004mol)乙酸,加完后在90℃条件下搅拌 16h,反应结束后将溶胶再在90℃条件下超声4h,并挥发出50%的蒸馏水,得到稳定透明的勃姆石溶胶;
(2)PMAA微球的制备:在100ml圆底烧瓶中加入1.00g MAA、0.04gAIBN、1.05gEGDMA和60ml乙腈,超声分散均匀后,升温至90℃恒温进行回流反应,2h后停止,然后对分散液超速离心沉降,并用无水乙醇多次洗涤,于50℃下真空干燥,直至重量恒定,得到的微球平均粒径在200nm左右;
(3)含PMAA微球溶胶的制备:取0.34g步骤(2)中制备的PMAA微球于2ml蒸馏水中,混合均匀后,将此PMAA微球溶液逐滴加入到(1)中得到的勃姆石溶胶中,并且搅拌4h,再在室温下超声一段时间,得到含微球的稳定溶胶;
(4)干燥及煅烧:将(3)中得到的溶胶置于内径5.65cm的底部涂有固体石蜡的培养皿中,然后室温干燥,形成凝胶以后放入冰箱中冻结,再冷冻干燥12h,成型后脱模;再将凝胶膜置于陶瓷坩埚中,放入马弗炉中煅烧,煅烧温度程序为1℃/min升温至300℃,恒温 3h,再以2℃/min升温至900℃,恒温3h,自然冷却以后,得到孔径分布较窄的、三维有序的的γ-Al2O3陶瓷膜。
实施例3:
(1)勃姆石溶胶的制备:同实施例1中步骤(1);
(2)制备PSA微球:在250ml的圆底烧瓶中加入180ml蒸馏水、2.068g St、0.450gAA,不断搅拌并升温至70℃,然后将溶有0.150g KPS的蒸馏水逐滴加入到烧瓶中,反应8h后,用透析袋透析48h,得到的PSA微球平均粒径在150nm左右;
(3)PSA微球溶胶的制备:取0.17g步骤(2)中制备的PSA微球于2ml蒸馏水中,混合均匀后,将此PSA微球溶液逐滴加入到(1)中得到的勃姆石溶胶中,并且搅拌4h,再在室温下超声一段时间,得到含微球的稳定溶胶;
(4)干燥及煅烧:同实施例1中步骤(4)。
Claims (6)
1.一种孔径分布均匀的γ-Al2O3陶瓷微滤膜,其特征在于以异丙醇铝为前驱体,异丙醇或乙醇为溶剂,硝酸或乙酸为胶溶剂,聚乙烯醇为分散剂,水为水解反应物,硝酸或乙酸为胶溶剂,以亲水性刚性聚合物微球为模板剂,通过溶胶凝胶法制备包括勃姆石溶胶,再经干燥和煅 烧得到孔径分布均匀、孔隙率高的γ-Al2O3陶瓷微滤膜,具体制备步骤如下:
(1)勃姆石溶胶的制备
将一定比例的异丙醇铝溶于异丙醇中,调节pH至3.5~4.0,并加入一定比例的聚乙烯醇,加热至80℃以上,再滴加一定比例的蒸馏水并且不断搅拌,水解时间3~6h,然后加入一定比例的硝酸或乙酸,老化时间10~16h,最后在50~90℃条件下超声一段时间,直至形成透明稳定的溶胶;
(2)添加模板剂
将纳米级亲水性刚性聚合物微球分散于水中,然后在室温下将以上分散液加入到上述勃姆石溶胶中,磁力搅拌一段时间后超声,使模板剂在溶胶中均匀分散;
(3)干燥过程
将所述步骤(2)中得到的溶胶置于底部涂有固体石蜡的培养皿中,先在室温下干燥,形成凝胶后冷冻干燥;
(4)煅 烧过程
将所述步骤(3)中得到的干凝胶脱模,置于马弗炉中煅 烧,程序升温至700~900℃并恒温一段时间得到γ晶型Al2O3陶瓷膜。
2.根据权利要求1中所述的一种介孔γ-Al2O3陶瓷膜,其特征在于:所述步骤(1)中异丙醇铝、水、硝酸的质量比为204.24∶(1494~1800)∶(6.30~16.38);聚乙烯醇添加量占混合溶胶中固含量重量百分比5~10%,在溶胶体系作分散剂,在干燥过程中作粘结剂、成型剂。
3.根据权利要求1中所述的一种孔径分布均匀的γ-Al2O3陶瓷微滤膜,其特征在于所述步骤(2)中添加的聚合物微球可以是羧 基化聚苯乙烯微球(PSA)或聚甲基丙烯酸(PMAA)微球中的一种,粒径大小为100~200nm,其中分别以无皂乳液聚合法制备PSA微球、回流沉淀聚合法制备PMA A微球。
4.根据权利要求1中所述的一种孔径分布均匀的γ-Al2O3陶瓷微滤膜,其特征在于所述步骤(3)中在培养皿底部涂上固体石蜡,有利于减小凝胶在干燥过程中收缩所产生的摩擦力,也有利于凝胶成型后脱模。
5.根据权利要求1中所述的一种孔径分布均匀的γ-Al2O3陶瓷微滤膜,其特征在于所述步骤(4)中煅 烧升温程序为1~2℃/min升温至300℃,恒温1~5h,再以1~2℃/min升温至700~900℃,恒温3~5h。
6.根据权利要求1中所述的一种孔径分布均匀的γ-Al2O3陶瓷微滤膜,其特征在于:所述步骤(4)中煅 烧以后得到的氧化铝为γ晶型,它的孔径分布比α晶型窄。
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