CN112759094B - 一种具有多级分离功能的净水滤芯及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有多级分离功能的净水滤芯及其制备方法，制备所得的具有多级分离功能的净水滤芯由内到外分别为亲水疏油层、多孔钛合金滤芯层、多孔陶瓷滤芯层，亲水疏油层涂覆在多孔钛合金表面，具有很强的着附能力，可实现油水分离；过滤层包括一层多孔钛合金滤芯层和多层不同孔隙大小的多孔陶瓷滤芯层，多孔钛合金具有性能优异，渗透率高，抗菌性能好等优点；多孔陶瓷滤芯层自底层沿向顶层，孔隙大小逐层增大，具有多重过滤效果。

Description

一种具有多级分离功能的净水滤芯及其制备方法

技术领域

本发明涉及净水技术领域，更具体地，涉及一种多级分离功能的净水滤芯及其制备方法。

背景技术

目前，市面上的多层滤芯同时包含金属滤芯层和陶瓷滤芯层，主要存在以下缺陷：

1、以金属材质制备的滤芯大都以不锈钢为主，或以单一材质制备而成，极少数以钛合金为材质制备滤芯，即使是使用了钛合金材质，其工艺上运用的是传统制备方法，钛合金滤芯层的孔隙分布不均匀，同一滤芯可能存在某些部位分布有孔隙，能滤水，某些部位是实体的，无法滤水，这就导致了过滤效果较差。

2、包裹在金属滤芯外层的多孔陶瓷滤芯的制备一般采用传统的注浆或挤压等方法成型，注浆成型一般采用石膏模，存在生坯强度差、干燥时间长，注浆过程中容易产生夹层、气孔等，影响其过滤效果，且市面上陶瓷滤芯层只有单一的一种孔隙大小，不具有多级分离效果，这使得过滤效果比较单一，过滤效果较差。

另外，涂覆在多层滤芯中的超疏水涂层久经使用过后易与表面附着层脱离，使得过滤失去原有状态及其性能，使用寿命短，会使油滴附着在滤芯内表面难以油水分离。

发明内容

为了解决上述现有技术弊端，本发明提供了一种具有多级分离功能的净水滤芯及其制备方法，制备所得的具有多级分离功能的净水滤芯由内到外分别为亲水疏油层、多孔钛合金滤芯层、多孔陶瓷滤芯层，亲水疏油层涂覆在多孔钛合金表面，具有很强的着附能力，可实现油水分离；过滤层包括一层多孔钛合金滤芯层和多层不同孔隙大小的多孔陶瓷滤芯层，多孔钛合金具有性能优异，渗透率高，抗菌性能好等优点；多孔陶瓷滤芯层由底部到进水口，孔隙大小逐层增大，具有多重过滤效果。

本发明相对于现有技术的有益效果在于：

1、本发明一种具有多级分离功能的净水滤芯及其制备方法，采用3D打印技术制造多孔钛合金滤芯层，通过高能球磨制备出来颗粒直径均匀细致的钛合金粉末，从而设计出更优选的孔隙结构，制备出结构单元为截角八面体结构，钛合金孔隙呈均匀分布状态的多孔钛合金滤芯层，提升过滤效果。

2、本发明一种具有多级分离功能的净水滤芯及其制备方法，通过控制陶瓷粉颗粒大小、光敏树脂配量制成不同粘稠度的浆料，然后运用不同粘稠度的浆料，打印出相接、由底部到进水口孔隙大小依次改变的多层滤芯，克服了现有技术陶瓷滤芯只有一种孔隙大小，过滤效果单一的弊端。

另外、本发明在制备亲水疏油层时，通过添加无机纳米颗粒，利用有机物包裹纳米颗粒，增加纳米颗粒的附着力，亲水疏油层上有纳米尺寸的突起，增加了表面粗糙度，使涂层具有很好的耐久性，克服了以往油水分离涂层使用寿命短等缺点。

附图说明

图1为本发明运用3D打印技术打印成型多孔钛合金的示意图。

图2为本发明运用3D打印技术打印成型多孔钛合金所使用的的钛合金粉末微观结构图。

图3为本发明多孔钛合金孔隙结构示意图。

图4为本发明多孔钛合金孔隙微观结构示意图。

图5为本发明3D打印多孔陶滤芯层示意图。

图6为本发明制备多孔陶瓷浆料示意图。

图7为本发明滤芯的整体截面图。

图8为本发明滤芯的剖视图。

其中，1多孔陶瓷滤芯层，2多孔钛合金滤芯层，3亲水疏油层，4进水口，5底部，6钛合金孔隙。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。参照图1-8，本发明提供了一种具有多级分离功能的净水滤芯，由内而外分别为亲水疏油层3、多孔钛合金滤芯层2、多孔陶瓷滤芯层1，多孔钛合金滤芯层2的结构单元为截角八面体结构，多孔钛合金滤芯层2的钛合金孔隙6呈均匀分布状态。

优选地，多孔陶瓷滤芯层1由底部5到进水口4，孔隙大小逐渐增大。

优选地，多孔陶瓷滤芯层1共有三层不同大小的孔隙，分别为细孔、中孔和粗孔，由底部5到进水口4方向依次排列。

上述一种具有多级分离功能的净水滤芯的制备方法，包括制备多孔陶瓷滤芯层1、制备多孔钛合金滤芯层2和制备亲水疏油层3。

其中，所述多孔钛合金滤芯层2的制备流程如下：

一、配比钛合金粉末，钛合金粉末按照质量百分比，包括以下元素：Al为5.5％～6.5％、V为3.5％～4.5％、Cu-Ag为8％-12％、Fe为0.5％、Zn为0.5％、其余成分为Ti。

二、将上述配比后的粉末，放入高能球磨机进行球磨，得到300目的均匀细致的钛合金粉末。

三、再由3D打印技术，以多孔陶瓷滤芯层为基底，将钛合金粉末打印出一层多孔钛合金滤芯层2。

具体实施例如下：

(1)按以下材料比例制备钛合金粉末，按质量比例：Al为5.5％～6.5％、V为3.5％～4.5％、Cu-Ag为8％-12％、Fe为0.5％、Zn为0.5％、其余成分为Ti。

(2)采用高能球磨机制备钛合金粉末：放入高能球磨机，采用氩气进行保护，不锈钢球作为球磨介质，其直径分别为Φ20mm、Φ10mm、Φ6mm的大、中、小三种不同的磨球，它们的个数配比为10：35：35，球料比为10：1，球磨转速为300rpm，为避免球磨罐内温度升高，采用球磨30min，空气冷却10min的方式进行，球磨结束后，球磨罐温度会较高，待其完全冷却后方能开罐，得到300目的均匀细致的钛合金粉末。

(3)将工件模型与孔隙结构做相交运算，得出多孔结构的模型和参数，转化为STL格式，之后用Magics软件进行处理，再将处理后的文件输入3D打印机，以多孔陶瓷滤芯层为基底开始打印，最终在多孔陶瓷滤芯层上得到多孔钛合金滤芯层。最终得到的多孔钛合金滤芯层2的孔隙结构单元为截角八面体结构。参照图2，本步骤中，3D打印技术使用的钛合金粉末为采用核壳结构的钛合金粉粉末，核是Ti6Al4V球形粉体，并在核上包覆纳米Cu-Ag合金粉。

其中，多孔陶瓷滤芯层1的制备方法如下：

一、将25-85wt％氧化铝陶瓷粉体，5-60wt％环氧单体，1-20wt％环四丁氧烷类单体，0.1-5wt％有机过氧化物混合后，经过球磨、干燥后得表面改性后的氧化铝粉末。

二、以光敏树脂单体为原料,用不同大小的表面改性氧化铝粉末与其混合，得到多份不同粘稠度的浆料。

三、将不同粘稠度的浆料由底部5到进水口4，黏稠度由低到高，通过对光敏树脂单体进行逐点扫描使其发生聚合反应形成一固体分层，通过在由底部5到进水口4方向将液槽移动一层距离，进行新扫描，得到新的固体分层，层层叠加，得到孔隙大小不同的多层多孔陶瓷滤芯层1。

具体实施例如下：

实施例1：

按如下组成配置3D打印陶瓷浆料：

(1)70wt％的氧化铝陶瓷粉末(氧化铝粉末按粒度直径大小分为三种，分别为100nm、500nm、1μm)

(2)30vol％光敏树脂组合液：20wt％的双酚A型环氧树脂E51、55wt％ERL4221、15wt％3-甲基-3-羟甲基氧杂环丁烷、5wt％环氧化柠檬烯、2wt％有机过氧化物BPO、3wt％氯苯配体茂铁盐。

将上述氧化铝陶瓷粉体和环氧单体、环四丁氧烷类单体、有机过氧化物在中速搅拌下混合0.5h，使各组分充分混合均匀，然后置于球磨机中，球磨3h，再将阳离子光引发剂、环氧树脂预聚体和表面改性后的氧化铝粉末混合经过3h球磨，制得不同粘稠度的陶瓷浆料；将不同粘稠度的浆料由底部5到进水口4，黏稠度由低到高，通过对光敏树脂单体进行逐点扫描使其发生聚合反应形成一固体分层，通过在底部5到进水口4方向上将液槽移动一层距离，进行新扫描，得到新的固体分层，最终得到三层多孔陶瓷滤芯层1的三维实体，分别为细孔多孔陶瓷滤芯层、中孔多孔陶瓷滤芯层、粗孔多孔陶瓷滤芯层由底部5到进水口4依次排列。

实施例2：

按如下组成配置3D打印陶瓷浆料：

(1)60wt％的氧化铝陶瓷粉末(氧化铝粉末按粒度直径大小分为三种，分别为100nm、500nm、1μm。)

(2)40vol％光敏树脂组合液：40wt％的双酚A型环氧树脂E51、35wt％ERL4221和15wt％3-甲基-3-羟甲基氧杂环丁烷、5wt％环氧化柠檬烯、2wt％有机过氧化物BPO、3wt％二苯甲酮配体茂铁盐。

将上述陶瓷粉体和光敏树脂组合液在中速搅拌下混合0.5h，使各组分充分混合均匀，然后置于球磨机中，球磨3h，制得陶瓷浆料，再将阳离子光引发剂、环氧树脂预聚体和表面改性后的氧化铝粉末混合经过3h球磨，制得不同粘稠度的陶瓷浆料。将不同粘稠度的浆料由底部5到进水口4，黏稠度由低到高，通过对光敏树脂单体进行逐点扫描使其发生聚合反应形成一固体分层，通过在底部5到进水口4方向上将液槽移动一层距离，进行新扫描，得到新的固体分层，最终得到三层多孔陶瓷滤芯层1的三维实体，分别为细孔多孔陶瓷滤芯层、中孔多孔陶瓷滤芯层、粗孔多孔陶瓷滤芯层由底部5到进水口4依次排列。

其中，不同粘稠度的浆料包括低固含量粗晶陶瓷浆料、中固含量中晶陶瓷浆料和高固含量低晶陶瓷浆料，低固含量粗晶陶瓷浆料用于制取大孔多孔陶瓷滤芯层；中固含量中晶陶瓷浆料用于制取中孔多孔陶瓷滤芯层，；高固含量低晶陶瓷浆料用于制取小孔陶瓷滤芯层。

其中，在多孔钛合金滤芯层2上涂覆亲水疏油层3的流程如下：

在环氧树脂上接枝斥油基团氟和亲水基团聚醚进行改性，然后将改性后的环氧树脂与纳米无机物在高剪切条件下混合均匀，再采用浸拉提渍法或涂覆法，在多孔钛合金滤芯层上制得有机无机复合亲水疏油涂层3。

其中：所述纳米无机物选自TiO2、SiO2或介孔分子筛中的一种或多种；改性后的环氧树脂和纳米无机物的质量比为88：5～169：0.5。

具体如下：

(1)将多孔钛合金滤芯层2依次用洗衣粉、乙醇与水溶液(体积比1：2)、无水乙醇、去离子水超声清洗，每次超声清洗5-15min，随后放入60-80℃鼓风干燥箱中干燥2-3小时。(本步骤为清洗，不同的材料制作涂层前采用不同的清洗方案，但清洗过程大同小异)

(2)将介孔分子筛在马弗炉中400℃活化后，加入DMF(N,N-二甲基酰胺)中，静置24小时，除去原料中水分，和PEG(聚乙二醇200)以及FSN-100(氟碳表面活性剂)在120℃烘箱中烘6个小时，备用。(制取改性所需的有机材料)

(3)将连接冷凝管、，机械搅拌器、温度计的三口烧瓶放在油浴锅中反应，恒温加热并不断搅拌，将1.5gIPDI(异佛尔酮二异氰酸酯)和0.038g催化剂二月桂酸二丁基锡加入三口烧瓶中，油浴锅温度70℃。将4.0gPEG(聚乙二醇200)用DMF溶解，缓慢加入烧瓶中反应2小时，将0.3gFSN-100用DMF溶解，加入烧瓶中，继续反应3小时，将4.0gE44(环氧树脂)用DMF溶解，加入烧瓶中，反应4h，随后加入固化剂0.52gN,N-二甲基苄胺，搅拌后加入纳米TiO20.1g、SiO20.1g，在高剪切条件下，混合均匀。(对环氧树脂进行改性)

(4)采用涂覆法，在多孔钛合金滤芯层2上制得均匀的涂层，在烘箱中80℃烘48小时，最终得到附着在多孔钛合金滤芯层的亲水疏油层3。

上述方法可以得到具有多级分离功能的净水滤芯，其包括由内而外设置的亲水疏油层、多孔钛合金滤芯层和多孔陶瓷滤芯层，亲水疏油层涂覆在所述多孔钛合金滤芯层表面，多孔陶瓷滤芯层孔隙大小由底部到进水口逐层增大，具有多重过滤效果；多孔钛合金滤芯层具有性能优异，渗透率高，抗菌性能好等优点；亲水疏油层涂覆在多孔钛合金滤芯层表面，具有很强的着附能力，可实现油水分离。

以上所述实施例仅表达了本发明的部分实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种具有多级分离功能的净水滤芯的制备方法，所述净水滤芯由内而外分别为亲水疏油层、多孔钛合金滤芯层、多孔陶瓷滤芯层，其特征在于，所述多孔钛合金滤芯层的结构单元为截角八面体结构；所述制备方法，包括制备多孔陶瓷滤芯层、制备多孔钛合金滤芯层和制备亲水疏油层：

所述多孔钛合金滤芯层的制备方法如下：

第一步、配比钛合金粉末，钛合金粉末按照质量百分比，包括以下元素：Al为5.5％～6.5％、V为3.5％～4.5％、Cu-Ag为8％-12％、Fe为0.5％、Zn为0.5％、其余成分为Ti，

第二步、将上述配比后的粉末，放入高能球磨机进行球磨，得到300目的均匀细致的钛合金粉末，

第三步、再由3D打印技术，以多孔陶瓷滤芯层为基底，将钛合金粉末打印出一层多孔钛合金滤芯层；

所述多孔陶瓷滤芯层的制备方法如下：

一、将25-85wt％氧化铝陶瓷粉体，5-60wt％环氧单体，1-20wt％环四丁氧烷类单体，0.1-5wt％有机过氧化物混合后，经过球磨、干燥后得到不同大小的表面改性后的氧化铝粉末，

二、以光敏树脂单体为原料,用不同大小的表面改性后的氧化铝粉末与其混合，得到多份不同粘稠度的浆料，

三、将不同粘稠度的浆料在液槽中由下到上按黏稠度由低到高设置，通过对光敏树脂单体进行逐点扫描使其发生聚合反应形成一固体分层，通过将液槽向上移动一层距离，进行新扫描，得到新的固体分层，层层叠加，得到孔隙大小不同的多层多孔陶瓷滤芯层，所述多孔陶瓷滤芯层由滤芯底部到进水口孔隙大小逐层变大。

2.如权利要求1所述具有多级分离功能的净水滤芯的制备方法，其特征在于，所述多孔钛合金滤芯层的钛合金孔隙呈均匀分布状态。

3.如权利要求2所述具有多级分离功能的净水滤芯的制备方法，其特征在于，所述多孔陶瓷滤芯层共有三层不同大小的孔隙，分别为细孔、中孔和粗孔，由滤芯底部到进水口方向依次排列。

4.如权利要求3所述具有多级分离功能的净水滤芯的制备方法，其特征在于，所述3D打印技术使用的钛合金粉末为采用核壳结构的钛合金粉末，核是Ti6Al4V球形粉体，并在核上包覆纳米Cu-Ag合金粉。

5.如权利要求4所述具有多级分离功能的净水滤芯的制备方法，其特征在于，所述多孔陶瓷滤芯层的不同粘稠度的浆料包括低固含量粗晶陶瓷浆料、中固含量中晶陶瓷浆料和高固含量低晶陶瓷浆料，所述低固含量粗晶陶瓷浆料用于制取大孔多孔陶瓷滤芯层，所述中固含量中晶陶瓷浆料用于制取中孔多孔陶瓷滤芯层，所述高固含量低晶陶瓷浆料用于制取小孔陶瓷滤芯层。

6.如权利要求5所述具有多级分离功能的净水滤芯的制备方法，其特征在于，

所述亲水疏油层制备方法如下：

一、在环氧树脂上接枝斥油基团氟和亲水基团聚醚对其进行改性；

二、然后将改性后的环氧树脂与纳米无机物在高剪切条件下混合均匀；

三、再采用浸拉提渍法或涂覆法，在基体上制得亲水疏油层。

7.如权利要求6所述具有多级分离功能的净水滤芯的制备方法，其特征在于，所述纳米无机物选自二氧化钛、二氧化硅或介孔分子筛中的一种或多种，改性后的环氧树脂和纳米无机物的质量比范围为88：5～169：0.5。

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