CN109745872A - 一种多孔金属基复合氧化铝分离膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多孔金属基复合氧化铝分离膜，以多孔金属材料作为基底材料，基底材料上复合有亚微米级氧化铝粉末，且多孔金属材料和亚微米级氧化铝粉末以机械咬合的方式紧密结合。本发明还公开了其制备方法，首先，将氧化铝纳米颗粒、分散剂、水性消泡剂混合加入去离子水中，高速机械剪切分散，得到分散液，之后向分散液中加入增稠剂，静置陈化，得到水性浆料，再将水性浆料涂覆在多孔金属基底上，使膜层干燥固化，最后，在惰性气体保护气氛中进行脱脂和高温烧结，即可得到多孔金属基复合氧化铝分离膜。通过悬浮粒子烧结法可以得到综合力学性能高、过滤精度高的复合膜材料。
Description
技术领域
本发明属于膜材料技术领域，具体涉及一种多孔金属基复合氧化铝分离膜，本发明还涉及该多孔金属基复合氧化铝分离膜的制备方法。
背景技术
市面上常见的金属烧结多孔过滤材料，是利用粉末冶金的方法将金属粉末通过成型、烧结等工序制成多孔材料。该技术已经非常成熟其优点为具有良好的综合力学性能，同时可以耐受高温且不易腐蚀，并且可以焊接易于加工。但其技术瓶颈为过滤精度较低，一般无法超过0.5微米，所以难以适用于对分离精度要求较高的过滤系统中。
氧化铝陶瓷多孔材料由于其特殊的物理化学性质可以达到很高的过滤精度，同时其优异的化学耐受性和微观硬度使得其耐磨损、耐腐蚀，在化工领域有着非常广泛的应用。但氧化铝多孔陶瓷材料的缺点在于综合力学性能较差，尤其抗剪切应力和抗热振性很低，经常在使用过程中由于系统压力或温度波动导致材料断裂进而引起整个过滤系统停车。
发明内容
本发明的目的是提供一种多孔金属基复合氧化铝分离膜，该多孔金属基复合氧化铝分离膜材料具有较高的抗剪切应力和过滤精度。
本发明的另一个目的是提供多孔金属基复合氧化铝分离膜的制备方法。
本发明所采用的技术方案是，一种多孔金属基复合氧化铝分离膜，以多孔金属材料作为基底材料，基底材料上复合有亚微米级氧化铝粉末，且多孔金属材料和亚微米级氧化铝粉末以机械咬合的方式紧密结合；多孔金属基复合氧化铝分离膜的孔径为10nm～200nm，所述多孔金属基复合氧化铝分离膜的厚度为5μm～50μm；多孔金属材料为不锈钢多孔材料、镍多孔材料、镍合金多孔材料、钛多孔材料、钛合金多孔材料中的任意一种。
本发明所采用的另一个技术方案是，一种多孔金属基复合氧化铝分离膜的制备方法，具体按照如下步骤实施：
步骤1，将氧化铝纳米颗粒、分散剂、水性消泡剂混合加入去离子水中，高速机械剪切分散，分散的时间为2～4h，得到分散液，之后向分散液中加入增稠剂，静置陈化，静置陈化的时间为48～72h，使其粘度稳定，得到水性浆料；
步骤2，将经步骤1后得到的水性浆料均匀的涂覆在多孔金属基底上，之后使膜层进行干燥固化，最后，在惰性气体保护气氛中依次进行脱脂和高温烧结，即可得到多孔金属基复合氧化铝分离膜。
本发明的特点还在于，
步骤1中，氧化铝纳米颗粒、分散剂、水性消泡剂、去离子水、增稠剂的质量比为15～35：3～5：0.1：50～80：2～10；氧化铝纳米颗粒的粒径为10nm～500nm。
步骤1中，分散剂为聚乙烯亚胺、聚丙烯酸或者聚丙烯酰胺；水性消泡剂为有机硅油；增稠剂为甲基纤维素、羟丙基纤维素、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮中的任意一种。
步骤2中，涂覆工艺为：涂覆刷头沿轴向移动速度为5cm/s，并且正反方向往返4～8次至料液附着均匀，得到厚度为10～50μm的预涂膜层。
步骤2中，干燥固化过程中，干燥温度为25℃～30℃，干燥时间为48h，相对湿度为20％～30％。
步骤2中，脱脂温度为400～600℃，脱脂时间为2h，烧结温度为900～1200℃，烧结时间为3h。
本发明的有益效果在于：
通过悬浮粒子烧结法可以得到综合力学性能高、过滤精度高的复合膜材料；另外，该方法可以通过调整膜层所使用的氧化铝粉末颗粒的粒径、增稠剂的种类及配方参数，准确控制膜层的过滤精度。
附图说明
图1为本发明方法制备的多孔金属基复合氧化铝分离膜的膜层表面扫描电镜图(一)；
图2为本发明方法制备的多孔金属基复合氧化铝分离膜的膜层表面扫描电镜图(二)；
图3为本发明方法制备的多孔金属基复合氧化铝分离膜的滤芯的孔径分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种多孔金属基复合氧化铝分离膜，以多孔金属材料作为基底材料，基底材料上复合有亚微米级氧化铝粉末，且多孔金属材料和亚微米级氧化铝粉末以机械咬合的方式紧密结合；
多孔金属基复合氧化铝分离膜的孔径为10nm～200nm，多孔金属基复合氧化铝分离膜的厚度为5μm～50μm。
多孔金属材料为不锈钢多孔材料、镍多孔材料、镍合金多孔材料、钛多孔材料、钛合金多孔材料中的任意一种。
一种多孔金属基复合氧化铝分离膜的制备方法，具体按照如下步骤实施：
步骤1，将氧化铝纳米颗粒、分散剂、水性消泡剂混合加入去离子水中，高速机械剪切分散，分散的时间为2～4h，得到分散液，之后向分散液中加入增稠剂，静置陈化，静置陈化的时间为48～72h，使其粘度稳定，得到水性浆料；
氧化铝纳米颗粒、分散剂、水性消泡剂、去离子水、增稠剂的质量比为15～35：3～5：0.1：50～80：2～10；
氧化铝纳米颗粒的粒径为10nm～500nm；
分散剂为聚乙烯亚胺、聚丙烯酸或者聚丙烯酰胺；
水性消泡剂为有机硅油；
增稠剂为甲基纤维素、羟丙基纤维素、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮中的任意一种；
步骤2，将经步骤1后得到的水性浆料均匀的涂覆在多孔金属基底上，涂覆工艺为：涂覆刷头沿轴向移动速度为5cm/s，并且正反方向往返4～8次至料液附着均匀，得到厚度为10～50μm的预涂膜层，之后使膜层进行干燥固化，最后，在惰性气体保护气氛中依次进行脱脂和高温烧结，脱脂温度为400～600℃，脱脂时间为2h，烧结温度为900～1200℃，烧结时间为3h，即可得到多孔金属基复合氧化铝分离膜；
干燥固化过程中，干燥温度为25℃～30℃，干燥时间为48h，相对湿度为20％～30％。
图1为本发明方法制备的多孔金属基复合氧化铝分离膜的膜层表面扫描电镜图(一)；
图2为本发明方法制备的多孔金属基复合氧化铝分离膜的膜层表面扫描电镜图(二)；
图3为本发明方法制备的多孔金属基复合氧化铝分离膜的滤芯的孔径分布图。
本发明方法制备的多孔金属基复合氧化铝分离膜的膜层表面扫描电镜图，如图1及图2所示，由图可知，由纳米颗粒烧结出的不规则膜孔尺寸不超过100nm，并且在厚度方向上100～200层颗粒尺寸的堆叠进一步保证了膜层的绝对过滤精度。
图3为采用美国PMI孔径测试仪所测出的过滤精度为100nm膜滤芯的孔径分布结果，可看出检测样品的膜孔分布区间主要在0.065～0.085μm，最大可测出孔径为0.105μm，说明其绝对过滤精度为准确真实的100nm。
实施例1
一种多孔金属基复合氧化铝分离膜的制备方法，具体按照如下步骤实施：
步骤1，将氧化铝纳米颗粒、分散剂、水性消泡剂混合加入去离子水中，高速机械剪切分散，分散的时间为2h，得到分散液，之后向分散液中加入增稠剂，静置陈化，静置陈化的时间为48h，使其粘度稳定，得到水性浆料；
氧化铝纳米颗粒、分散剂、水性消泡剂、去离子水、增稠剂的质量比为15：3：0.1：50：2；
氧化铝纳米颗粒的粒径为10nm～25nm；
分散剂为聚乙烯亚胺；
水性消泡剂为有机硅油；
增稠剂为甲基纤维素；
步骤2，将经步骤1后得到的水性浆料均匀的涂覆在多孔金属基底上，涂覆工艺为：涂覆刷头沿轴向移动速度为5cm/s，并且正反方向往返4～8次至料液附着均匀，得到厚度为10～50μm的预涂膜层，之后使膜层进行干燥固化，最后，在惰性气体保护气氛中依次进行脱脂和高温烧结，脱脂温度为400℃，脱脂时间为2h，烧结温度为900℃，烧结时间为3h，即可得到多孔金属基复合氧化铝分离膜；
干燥固化过程中，干燥温度为25℃，干燥时间为48h，相对湿度为20％；
所得的多孔金属基复合氧化铝分离膜的膜层孔径为10nm，厚度为5μm。
实施例2
一种多孔金属基复合氧化铝分离膜的制备方法，具体按照如下步骤实施：
步骤1，将氧化铝纳米颗粒、分散剂、水性消泡剂混合加入去离子水中，高速机械剪切分散，分散的时间为2.5h，得到分散液，之后向分散液中加入增稠剂，静置陈化，静置陈化的时间为50h，使其粘度稳定，得到水性浆料；
氧化铝纳米颗粒、分散剂、水性消泡剂、去离子水、增稠剂的质量比为20：4：0.1：60：5；
氧化铝纳米颗粒的粒径为40nm；
分散剂为聚丙烯酸；
水性消泡剂为有机硅油；
增稠剂为羟丙基纤维素；
步骤2，将经步骤1后得到的水性浆料均匀的涂覆在多孔金属基底上，涂覆工艺为：涂覆刷头沿轴向移动速度为5cm/s，并且正反方向往返4～8次至料液附着均匀，得到厚度为10～50μm的预涂膜层，之后使膜层进行干燥固化，最后，在惰性气体保护气氛中依次进行脱脂和高温烧结，脱脂温度为450℃，脱脂时间为2h，烧结温度为1000℃，烧结时间为3h，即可得到多孔金属基复合氧化铝分离膜；
干燥固化过程中，干燥温度为28℃，干燥时间为48h，相对湿度为25％。
实施例3
一种多孔金属基复合氧化铝分离膜的制备方法，具体按照如下步骤实施：
步骤1，将氧化铝纳米颗粒、分散剂、水性消泡剂混合加入去离子水中，高速机械剪切分散，分散的时间为3h，得到分散液，之后向分散液中加入增稠剂，静置陈化，静置陈化的时间为55h，使其粘度稳定，得到水性浆料；
氧化铝纳米颗粒、分散剂、水性消泡剂、去离子水、增稠剂的质量比为25：3：0.1：70：5；
氧化铝纳米颗粒的粒径为80nm；
分散剂为聚丙烯酰胺；
水性消泡剂为有机硅油；
增稠剂为聚乙烯醇；
步骤2，将经步骤1后得到的水性浆料均匀的涂覆在多孔金属基底上，涂覆工艺为：涂覆刷头沿轴向移动速度为5cm/s，并且正反方向往返4～8次至料液附着均匀，得到厚度为10～50μm的预涂膜层，之后使膜层进行干燥固化，最后，在惰性气体保护气氛中依次进行脱脂和高温烧结，脱脂温度为550℃，脱脂时间为2h，烧结温度为1100℃，烧结时间为3h，即可得到多孔金属基复合氧化铝分离膜；
干燥固化过程中，干燥温度为25℃，干燥时间为48h，相对湿度为30％。
实施例4
一种多孔金属基复合氧化铝分离膜的制备方法，具体按照如下步骤实施：
步骤1，将氧化铝纳米颗粒、分散剂、水性消泡剂混合加入去离子水中，高速机械剪切分散，分散的时间为2～4h，得到分散液，之后向分散液中加入增稠剂，静置陈化，静置陈化的时间为48～72h，使其粘度稳定，得到水性浆料；
氧化铝纳米颗粒、分散剂、水性消泡剂、去离子水、增稠剂的质量比为15：3：0.1：50：2；
氧化铝纳米颗粒的粒径为150nm～250nm；
分散剂为聚丙烯酸；
水性消泡剂为有机硅油；
增稠剂为甲基纤维素；
步骤2，将经步骤1后得到的水性浆料均匀的涂覆在多孔金属基底上，涂覆工艺为：涂覆刷头沿轴向移动速度为5cm/s，并且正反方向往返4～8次至料液附着均匀，得到厚度为10～50μm的预涂膜层，之后使膜层进行干燥固化，最后，在惰性气体保护气氛中依次进行脱脂和高温烧结，脱脂温度为450℃，脱脂时间为2h，烧结温度为1100℃，烧结时间为3h，即可得到多孔金属基复合氧化铝分离膜；
干燥固化过程中，干燥温度为30℃，干燥时间为48h，相对湿度为20％～30％；
所得的多孔金属基复合氧化铝分离膜的膜层孔径为100nm，厚度为25μm。
实施例5
一种多孔金属基复合氧化铝分离膜的制备方法，具体按照如下步骤实施：
步骤1，将氧化铝纳米颗粒、分散剂、水性消泡剂混合加入去离子水中，高速机械剪切分散，分散的时间为3h，得到分散液，之后向分散液中加入增稠剂，静置陈化，静置陈化的时间为60h，使其粘度稳定，得到水性浆料；
氧化铝纳米颗粒、分散剂、水性消泡剂、去离子水、增稠剂的质量比为30：5：0.1：60：8；
氧化铝纳米颗粒的粒径为400nm～500nm；
分散剂为聚丙烯酰胺；
水性消泡剂为有机硅油；
增稠剂为羟丙基纤维素；
步骤2，将经步骤1后得到的水性浆料均匀的涂覆在多孔金属基底上，涂覆工艺为：涂覆刷头沿轴向移动速度为5cm/s，并且正反方向往返4～8次至料液附着均匀，得到厚度为10～50μm的预涂膜层，之后使膜层进行干燥固化，最后，在惰性气体保护气氛中依次进行脱脂和高温烧结，脱脂温度为500℃，脱脂时间为2h，烧结温度为1200℃，烧结时间为3h，即可得到多孔金属基复合氧化铝分离膜；
干燥固化过程中，干燥温度为30℃，干燥时间为48h，相对湿度为25％；
所得的多孔金属基复合氧化铝分离膜的膜层孔径为200nm，厚度为50μm。
Claims (9)
1.一种多孔金属基复合氧化铝分离膜，其特征在于，以多孔金属材料作为基底材料，基底材料上复合有亚微米级氧化铝粉末，且多孔金属材料和亚微米级氧化铝粉末以机械咬合的方式紧密结合。
2.根据权利要求1所述的一种多孔金属基复合氧化铝分离膜，其特征在于，所述多孔金属基复合氧化铝分离膜的孔径为10nm～200nm，所述多孔金属基复合氧化铝分离膜的厚度为5μm～50μm。
3.根据权利要求1所述的一种多孔金属基复合氧化铝分离膜，其特征在于，所述多孔金属材料为不锈钢多孔材料、镍多孔材料、镍合金多孔材料、钛多孔材料、钛合金多孔材料中的任意一种。
4.一种多孔金属基复合氧化铝分离膜的制备方法，其特征在于，具体按照如下步骤实施：
步骤1，将氧化铝纳米颗粒、分散剂、水性消泡剂混合加入去离子水中，高速机械剪切分散，分散的时间为2～4h，得到分散液，之后向分散液中加入增稠剂，静置陈化，静置陈化的时间为48～72h，使其粘度稳定，得到水性浆料；
步骤2，将经步骤1后得到的水性浆料均匀的涂覆在多孔金属基底上，之后使膜层进行干燥固化，最后，在惰性气体保护气氛中依次进行脱脂和高温烧结，即可得到多孔金属基复合氧化铝分离膜。
5.根据权利要求4所述的一种多孔金属基复合氧化铝分离膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，氧化铝纳米颗粒、分散剂、水性消泡剂、去离子水、增稠剂的质量比为15～35：3～5：0.1：50～80：2～10；氧化铝纳米颗粒的粒径为10nm～500nm。
6.根据权利要求4所述的一种多孔金属基复合氧化铝分离膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，分散剂为聚乙烯亚胺、聚丙烯酸或者聚丙烯酰胺；水性消泡剂为有机硅油；增稠剂为甲基纤维素、羟丙基纤维素、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮中的任意一种。
7.根据权利要求4所述的一种多孔金属基复合氧化铝分离膜的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，涂覆工艺为：涂覆刷头沿轴向移动速度为5cm/s，并且正反方向往返4～8次至料液附着均匀，得到厚度为10～50μm的预涂膜层。
8.根据权利要求4所述的一种多孔金属基复合氧化铝分离膜的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，干燥固化过程中，干燥温度为25℃～30℃，干燥时间为48h，相对湿度为20％～30％。
9.根据权利要求4所述的一种多孔金属基复合氧化铝分离膜的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，脱脂温度为400～600℃，脱脂时间为2h，烧结温度为900～1200℃，烧结时间为3h。
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