CN111804921A - 一种梯度金属多孔材料的制备方法 - Google Patents

一种梯度金属多孔材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种梯度金属多孔材料的制备方法。包括以下步骤：1.在工业乙醇中加入粘接剂，然后将配置好的粘结剂加入到筛分、级配好的金属粉末中，搅拌均匀，得到具有一定粘性的金属粉末颗粒；2.将具有一定粘性的金属粉末颗粒均匀铺设到金属泡沫或金属丝网上，然后随金属泡沫或金属丝网进入两辊式预压机；3.对上述经辊扎后的带有金属粉末膜层的金属泡沫或金属丝网基体进行脱脂、烧结处理，得到梯度金属多孔材料。本发明具有优异的柔韧性，过滤精度高、通量大，且该制备方法工艺简单，成本低，效率高，可制成高温、含硫工况下的气‑固、液‑固等过程工业中的过滤元件，有效解决了现有高温除尘领域中布袋过滤低精度、低通量的问题。

Description

一种梯度金属多孔材料的制备方法
技术领域
本发明属于金属多孔材料领域，具体涉及一种梯度金属多孔材料的制备方法。
背景技术
金属多孔材料是一类含有孔隙的功能与结构一体化材料，已广泛应用于冶金、化工、制药、航天、航空等领域，是现代工业生产不可或缺的一类重要材料：其中，过滤与分离是金属多孔材料应用的一个重要领域。从制备工艺和结构上考虑，烧结金属过滤元件可分为烧结金属粉末、金属膜、烧结金属毡、烧结金属丝网等。如果按照孔结构形式进行分类，多孔材料可以分成均质多孔材料和梯度多孔材料两类。梯度多孔材料因其在厚度方向上的孔隙率/孔径变化，使其性能也沿厚度方向呈现梯度变化；同时，此特殊孔结构使得该类材料具有诸多优异的物理、化学性能。因此，梯度多孔材料一直是人们研究的热点。根据孔径尺寸沿厚度方向变化的不同形式，可将其分为连续梯度多孔材料与阶梯(突变)梯度多孔材料。对于过滤用梯度多孔材料，主要以孔径变化规律进行分类。
在过程工业领域对多孔材料进行应用选型时，技术人员希望在要求过滤精度一定的前提下，材料具有大的渗透通量；然而，渗透通量和过滤精度在技术上是一对矛盾。梯度多孔材料可以解决这一矛盾。使用对称多孔材料进行过滤时，压降随材料厚度线性递增；而在同样厚度的非对称多孔材料中，压降分布则呈非线性关系。孔隙较大的基体内压强随壁厚递增速率平缓，而在精度控制膜层内压降明显上升。但由于梯度膜层非常薄，材料总压降仍明显低于具有相同过滤精度的对称多孔材料。
梯度多孔材料主要由两大部分组成，一是具有高孔隙率、大孔径的多孔基体支撑层；二是具有小孔径的精度控制膜层。非对称多孔材料与对称多孔材料的区别在于孔隙大小分布不同。使用对称多孔材料过滤时，由于其孔道长度与被拦截的固体颗粒尺寸比值较大，固体颗粒进入孔道深处，个别颗粒被滞留其中，这些颗粒很难用反洗方法完全清除，随着运行时间的增加，对称多孔材料的流通性会因此受到一定负面影响。相同过滤精度条件下，非对称多孔材料则不同，过滤过程中作为精度控制层的膜层将固体颗粒拦截在多孔膜层表面，可延长膜元件反清洗时间间隔、缩短单次反冲洗时间，最终实现延长膜元件使用寿命的目的；同时，由于其基体支撑层孔隙尺寸远远大于精度控制层尺寸，因此在保证相同过滤精度的条件下，非对称多孔材料的压降明显减小，透过性能明显提高。
目前，人们研究比较多的梯度金属多孔材料主要是网/网、粉/粉梯度复合，而这两种复合方式并不能很好的发挥“粉末”与“丝网”各自的优点。所以，从理论上分析可知，采用金属粉末+金属丝网进行梯度复合，可以实现提高梯度多孔材料过滤精度及其柔韧性的目的。
发明内容
本发明的目的是提供一种梯度金属多孔材料的制备方法，所制备的梯度金属多孔材料具有优异的柔韧性，且可折叠，可有效解决传统金属多孔材料作为刚性膜不可折叠的缺点；之外，该梯度金属多孔材料具有高精度和大通量，在高温除尘领域可替换布袋过滤元件，解决布袋过滤精度达不到要求的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
步骤一：将金属粉末进行筛分、级配，得到所需粒度区间的金属粉；
步骤二：在工业乙醇中加入粘接剂，再加入步骤一中的金属粉末搅拌均匀，配置成浆料；
步骤三：将步骤二中加入粘结剂的金属粉末放进烘箱进行烘干；
步骤四：将步骤三中的金属粉末均匀铺设到金属泡沫或金属丝网上，然后随金属泡沫或金属丝网进入两辊式预压机，进行辊压；
步骤五：对步骤四中经辊扎后的带有金属粉末膜层的金属泡沫或金属丝网基体进行脱脂、烧结处理，得到梯度金属多孔材料。
更进一步，步骤一中所述的金属粉末材质可为不锈钢、镍及其合金、钛及其合金等，筛分、级配前金属粉末粒度为-100目通粉，根据对材料孔径的要求，进行筛分、级配，得到对应粒度区间的梯度膜层粉末。
更进一步，步骤二中所述的粘接剂为聚乙烯醇缩丁醛或酚醛树脂，质量百分含量为3％～9％，固含量根据步骤一中所选用的金属粉末粒度进行调整。
更进一步，步骤三中所述对金属粉末进行烘干，烘干温度为40-80℃，烘干时间为10-90min，金属粉末烘干后的状态为具有一定粘性的半干状态。
更进一步，步骤四中所使用的金属泡沫是开孔泡沫镍，或者开孔泡沫铝；使用的金属丝网是不锈钢丝网或蒙乃尔丝网。
更进一步，若步骤四中所使用的金属多孔基体为金属泡沫，则在其上铺设金属粉末时，含有粘结剂的金属粉末会填充到金属泡沫多孔基体的孔隙中；经辊扎之后，金属粉末与金属泡沫孔骨架结合在一起。若步骤四中使用金属丝网作为多孔基体，使用的金属丝网是不锈钢丝网或蒙乃尔丝网，含有粘结剂的金属粉末则被均匀铺设到金属丝网表面；经辊扎后，金属粉末与金属丝网表面结合在一起。
更进一步，步骤五中所述的脱脂工序在脱脂炉中进行，脱脂气氛为空气，脱脂温度250-500℃，脱脂时间30-120min；所述烧结工序在真空烧结炉或气氛烧结炉中进行，烧结温度600-1300℃，保温时间60-180min。
更进一步，步骤五中所述的获得的梯度金属多孔材料，形成的梯度金属粉末膜层的厚度可以通过铺设金属粉末的量进行调整、控制，膜层厚度可控范围为0.1～1mm。
更进一步，所述制备的梯度金属多孔材料是金属泡沫+金属粉末复合，或者金属丝网+金属粉末复合，其中金属泡沫或金属丝网可以与金属粉末的材质可以相同，也可以不同。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：采用粉/网、粉/泡沫的复合方式制造梯度金属多孔材料，制备的材料具有优异的柔韧性，可以有效解决传统金属多孔材料刚性膜不能折叠的问题。该制备方法工艺简单，成本低，效率高，可满足工业化应用的要求。
附图说明
图1.本发明制备梯度金属多孔材料的铺粉、辊扎装置结构示意图。
附图标记说明：
1、金属丝网/金属泡沫；2、加入粘结剂的金属粉末；3、轧辊；4、辊扎后的金属粉末+金属丝网/金属泡沫。
具体实施方式
实施例1
对-100目的镍粉进行筛分，将获得的粒度为-300目的镍粉按照5g/ml的比例与酚醛树脂质量浓度为4％的酚醛树脂乙醇溶液混合，搅拌均匀。将加入粘结剂的镍粉放进烘箱进行烘干，烘干温度50℃，烘干时间15min。将烘干后的镍粉均匀铺设到厚度为2mm、孔隙为110PPI的泡沫镍板上，然后进行辊扎，辊扎后复合板的厚度为1.0mm。将辊扎之后的粉末+泡沫镍放到脱脂炉中进行脱脂，脱脂温度420℃，脱脂时间45min；将脱脂后的粉末泡沫复合板放到烧结炉中进行烧结，烧结气氛为氢气，烧结温度1180℃，保温时间150min。烧结后出炉即得到镍粉+泡沫镍梯度多孔材料。经检测，所制得的镍粉+泡沫镍梯度多孔材料过滤精度为6μm。制备的梯度金属多孔材料具有优异的柔韧性，可加工卷制成筒状滤袋，有效解决传统金属多孔材料刚性膜不能折叠的问题。
实施例2
对-100目的316L不锈钢粉末进行筛分，将获得的粒度为-500目的镍粉按照8g/ml的比例与酚醛树脂质量浓度为6％的酚醛树脂乙醇溶液混合，搅拌均匀。将加入粘结剂的不锈钢粉末放进烘箱进行烘干，烘干温度60℃，烘干时间10min。将烘干后的不锈钢粉均匀铺设到孔隙为-200目的316L不锈钢丝网上，然后进行辊扎，辊扎后复合板的厚度为0.7mm。将辊扎之后的“粉末+丝网”放到脱脂炉中进行脱脂，脱脂温度450℃，脱脂时间30min；将脱脂后的粉末+丝网复合板放到烧结炉中进行烧结，烧结气氛为真空，烧结温度1100℃，保温时间120min。烧结后出炉即得到不锈钢粉+不锈钢丝网梯度复合多孔材料。经检测，所制得的梯度金属多孔材料过滤精度为3μm。制备的梯度金属多孔材料具有优异的柔韧性，可加工卷制成筒状滤袋，有效解决传统金属多孔材料刚性膜不能折叠的问题。

Claims (9)

1.一种梯度金属多孔材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一：将金属粉末进行筛分、级配，得到所需粒度区间的金属粉；
步骤二：在工业乙醇中加入粘接剂，再加入步骤一中的金属粉末搅拌均匀，配置成浆料；
步骤三：将步骤二中加入粘结剂的金属粉末放进烘箱进行烘干；
步骤四：将步骤三中的金属粉末均匀铺设到金属泡沫或金属丝网上，然后随金属泡沫或金属丝网进入两辊式预压机，进行辊压；
步骤五：对步骤四中经辊扎后的带有金属粉末膜层的金属泡沫或金属丝网基体进行脱脂、烧结处理，得到梯度金属多孔材料。
2.根据权利要求1所述的一种梯度金属多孔材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述的金属粉末材质为不锈钢、镍及其合金、钛及其合金，筛分、级配前金属粉末粒度为-100目通粉，根据对材料孔径的要求，进行筛分、级配，得到对应粒度区间的梯度膜层粉末。
3.根据权利要求1所述的一种梯度金属多孔材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述的粘接剂为聚乙烯醇缩丁醛或酚醛树脂，质量百分含量为3％～9％，固含量根据步骤一中所选用的金属粉末粒度进行调整。
4.根据权利要求1所述的一种梯度金属多孔材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述对金属粉末进行烘干，烘干温度为40-80℃，烘干时间为10-90min，金属粉末烘干后的状态为具有粘性的半干状态。
5.根据权利要求1所述的一种梯度金属多孔材料的制备方法，其特征在于，步骤四中所使用的金属泡沫是开孔泡沫镍，或者开孔泡沫铝；使用的金属丝网是不锈钢丝网或蒙乃尔丝网。
6.根据权利要求1所述的一种梯度金属多孔材料的制备方法，其特征在于，若步骤四中所使用的金属多孔基体为金属泡沫，则在其上铺设金属粉末时，含有粘结剂的金属粉末会填充到金属泡沫多孔基体的孔隙中；经辊扎之后，金属粉末与金属泡沫孔骨架结合在一起；若步骤四中使用金属丝网作为多孔基体，使用的金属丝网是不锈钢丝网或蒙乃尔丝网，含有粘结剂的金属粉末则被均匀铺设到金属丝网表面；经辊扎后，金属粉末与金属丝网表面结合在一起。
7.根据权利要求1所述的一种梯度金属多孔材料的制备方法，其特征在于，步骤五中所述的脱脂工序在脱脂炉中进行，脱脂气氛为空气，脱脂温度250-500℃，脱脂时间30-120min；所述烧结工序在真空烧结炉或气氛烧结炉中进行，烧结温度600-1300℃，保温时间60-180min。
8.根据权利要求1所述的一种梯度金属多孔材料的制备方法，其特征在于，步骤五中所述的获得的梯度金属多孔材料，形成的梯度金属粉末膜层的厚度通过铺设金属粉末的量进行调整、控制，膜层厚度可控范围为0.1～1mm。
9.根据权利要求1所述的一种梯度金属多孔材料的制备方法，其特征在于，所述制备的梯度金属多孔材料是金属泡沫和金属粉末复合，或者金属丝网和金属粉末复合，其中金属泡沫或金属丝网与金属粉末的材质相同或不同。
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