CN115646071B - 一种水电解槽用梯度化多孔金属毡及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种水电解槽用梯度化多孔金属毡，在金属纤维毡的外表面上附着至少一层采用等离子喷涂而成的球状金属颗粒层，所述球状金属颗粒的粒径为100～150μm。本发明依赖金属颗粒间的间隙形成小间隙复合层，既能解决金属颗粒入侵金属纤维层的影响，降低金属毡的平均孔隙直径及接触电阻，又能实现金属纤维毡具有梯度化孔径的目的，提高多孔纤维毡的传质能力和电解槽使用效率；可以通过控制喷涂的金属颗粒尺寸来改变喷涂层的间隙大小，做到间隙可控，满足电解槽对金属毡的不同孔隙需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种质子交换膜的水电解槽用梯度化多孔金属毡及制备方法。
背景技术
金属纤维烧结毡是采用极其精细的金属纤维（直径精确到微米）经无纺铺制、叠配经高温烧结而成，由不同孔径层形成孔梯度，具有三维网状多孔结构、孔隙率高、表面积大、孔径大小分布均匀等特点，能连续保持过滤网布的过滤作用。
作为高效的多孔过滤材料，金属毡被广泛应用于过滤、制氢、催化行业，应用于航空、航天行业中发动机的管路、线路系统上，对管路、线路起紧固固定作用。传统金属毡由金属纤维经过无纺铺制、叠配、真空烧结而成。例如专利文献CN2320408Y公开了一种纤维金属毡，由粗纤维毡层与细纤维镍毡层叠合而成。专利文献CN103862741A公开了一种金属毡及其制造工艺，金属毡设有多层金属丝横向层；金属丝横向层之间设有多层金属丝纵向层；金属毡上下外表面能够设有防护涂层。
但是由于金属毡的制造特点，导致其具有孔隙不均匀性；且表面孔径较大，导致金属毡纤维丝入侵膜电极影响电解槽使用效果。若想要得到变孔径的金属毡，只能将不同孔隙直径的金属毡进行二次烧结在一起，例如专利文献CN110787534A，但这种方法耗时耗力且烧结出来的金属毡厚度过大。
也有专利文献CN111283174A公开了一种具有孔隙梯度的金属空心球复合材料，企图通过对金属空心球进行排列和设计，实现孔隙在金属空心球复合材料内的梯度分布，它将直径范围为1-10mm的金属空心球直径以1mm为单位进行筛分，以小直径金属空心球在下、大直径金属空心球在上的方式在模具中堆叠形成金属空心球结构，在其上放置金属丝网，在丝网上放置金属基体铸锭和压头，将模具放入加热装置中加热至基体合金熔点以上，对压头施加一定压力，以使金属熔体充分流入空心球结构中与金属空心球形成良好结合。但是，这种金属空心球复合材料属于金属泡沫材料，利用金属空心球来达到降低复合材料的密度的目的；但其空心球之间的缝隙被金属基体的熔体填塞，将金属空心球粘接在一起，根本不能用作过滤材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种质子交换膜的水电解槽用梯度化多孔金属毡及制备方法，以解决现有技术中存在的孔隙不均匀、表面层孔径较大、制备过程复杂等问题。
本发明的技术目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的一种水电解槽用梯度化多孔金属毡，其特征在于，在金属纤维毡的外表面上附着至少一层采用等离子喷涂而成的球状金属颗粒层，所述球状金属颗粒的粒径为100～150μm；
所述金属纤维毡为现有市售的任何种类的金属纤维毡，优选为金属钛纤维毡、钛合金纤维毡、银纤维毡、镍纤维毡、不锈钢纤维毡（例如：SUS321不锈钢、316L不锈钢、304不锈钢）、铬镍铁合金纤维毡（例如英科耐尔601合金）中的一种；
所述球状金属颗粒的材质是能够与所述金属纤维毡实现冶金结合的金属材质，最直接的就是与所述金属纤维毡相同的材质；当然也可以是不同的材质，只要确保喷涂后是能够与所述金属纤维毡实现冶金结合即可，例如：纯钛纤维毡的金属球状颗粒层可以是钛合金材质，在316L不锈钢金属毡的金属球状颗粒层可以是金属钛。
优选地，在所述球状金属颗粒层的上表面附着至少一层小颗粒金属层，其金属颗粒的粒径为30～50μm；所述小颗粒金属层的材质是能够与所述球状金属颗粒层实现冶金结合的金属材质，最直接的就是与所述球状金属颗粒层相同的材质，也可以是不同的材质，只要确保喷涂后是能够与所述球状金属颗粒层实现冶金结合即可。
本发明的所述水电解槽用梯度化多孔金属毡采用球状金属颗粒打底的方式，既能解决外部杂质金属颗粒侵入金属纤维毡内部造成的负面影响，又能实现梯度化孔径的目的，实现金属颗粒层表层孔隙直径为5～10微米，可以提高多孔金属毡的传质能力，提高电解槽的使用效率，更好地满足电解槽的使用需求。
本发明的一种水电解槽用梯度化多孔金属毡的制备方法，其特征在于，采用等离子喷涂的方式依次将烘干后的金属球状颗粒层喷涂在所述金属纤维毡的外表面，再将烘干后的小颗粒金属层喷涂在所述金属球状颗粒层的表面。
优选地，所述喷涂是在5～8kPa下的真空喷涂，氧气量极少，不需要考虑金属颗粒被氧化的问题。
优选地，为减小喷涂过程中导致的金属纤维毡变形，所述喷涂的喷涂力10～100MJ/kg，扫描速度100～500mm/s，不建议采用较低的喷涂速度，而是根据使用需求，对金属纤维毡进行多层喷涂达到需求厚度。
所述等离子体喷涂工艺可以进行金属颗粒大小的调整，满足对喷涂层的不同孔隙使用需求。通过喷涂得到的金属层与金属纤维毡的接触面处，孔隙分布较为均匀，不会像金属纤维毡的原有外表面一样出现局部过大或过小的情况影响使用。同时，采用等离子体喷涂的方式获得的金属多孔层之间具有较好的结合力，且可以根据使用者的需求进行金属颗粒材料的更换，当需要该梯度化多孔金属毡具有较高的耐腐蚀性能时，可采用高耐腐蚀性的金属（例如钛）颗粒进行喷涂，以达到提高所述梯度化多孔金属毡的耐腐蚀性能。
本专利具有以下有益效果：
本方法依赖金属颗粒间的间隙形成小间隙复合层，既能解决金属颗粒入侵金属纤维层的影响，降低金属毡的平均孔隙直径及接触电阻，又能实现金属纤维毡具有梯度化孔径的目的，提高多孔纤维毡的传质能力和电解槽使用效率；可以通过控制喷涂的金属颗粒尺寸来改变喷涂层的间隙大小，做到间隙可控，满足电解槽对金属毡的不同孔隙需求；通过控制喷涂金属颗粒的材料控制金属毡喷涂层的性能（如在316L不锈钢金属毡的金属球状颗粒采用钛金属颗粒，可以提高金属毡的耐蚀性能），满足不同电解槽对不同金属毡的使用需求。
附图说明
图1是变孔径复合层金属毡示意图示意图。
其中：1-金属纤维毡，2-球状金属颗粒层，3-小颗粒金属层，4-间隙。
具体实施方式
为了使本专利实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本专利。
实施例1
一种水电解槽用梯度化多孔金属毡，采用厚度为0.4 mm的金属钛纤维毡作为基体，制备过程如下：
（1）将直径为125微米的钛金属颗粒烘干后置于等离子喷涂设备中；
（2）采用5kPa的低真空喷涂方式进行等离子喷涂，喷涂力20～30 MJ/kg，扫描速度300mm/s；在金属钛纤维毡表面扫描喷涂3次，形成以3层粒径125微米的球状钛金属颗粒构成的金属球状颗粒层；
（3）将直径为45微米的钛金属颗粒烘干后置于等离子喷涂设备中；
（4）采用6kPa的低真空喷涂方式进行等离子喷涂，喷涂力10～20 MJ/kg，扫描速度380mm/s；在钛毡表面扫描喷涂3次，形成以3层粒径45微米的球状钛金属颗粒构成的小颗粒金属层；
（5）将喷涂后的纤维毡置于吸尘设备去除多余金属颗粒，即可得到质子交换膜水电解槽用梯度化多孔金属毡，喷涂后金属颗粒层表面的空隙为5～10μm，从表面至金属钛纤维毡基材表面，实现了梯度化孔径，满足电解槽使用需求。
实施例2
一种水电解槽用梯度化多孔金属毡，采用厚度为0.4 mm的316L不锈钢金属纤维毡作为基体，制备过程如下：
（1）将直径为150微米的316L不锈钢金属颗粒烘干后置于等离子喷涂设备中；
（2）采用8kPa的低真空喷涂方式进行等离子喷涂，喷涂力30～40 MJ/kg，扫描速度400mm/s；在316L不锈钢金属纤维毡表面扫描喷涂2次，形成以2层粒径150微米的球状316L金属颗粒构成的球状金属颗粒层；
（3）将直径为100微米的316L不锈钢金属颗粒烘干后置于等离子喷涂设备中；
（4）采用7kPa的低真空喷涂方式进行等离子喷涂，喷涂力20～30 MJ/kg，扫描速度360mm/s；在步骤（2）的球状金属颗粒层的表面扫描喷涂3次，形成以3层粒径100微米的球状316L金属颗粒构成的金属球状颗粒层；
（5）将直径为30微米的钛金属颗粒烘干后置于等离子喷涂设备中；
（6）采用5.5kPa的低真空喷涂方式进行等离子喷涂，喷涂力10～20 MJ/kg，扫描速度300mm/s；在步骤（4）的球状金属颗粒层的表面扫描喷涂3次，形成以3层粒径30微米的球状钛金属颗粒构成的小颗粒金属层；
（7）将喷涂后的纤维毡置于吸尘设备去除多余金属颗粒，即可得到质子交换膜水电解槽用梯度化多孔金属毡，喷涂后金属颗粒层表面的空隙为3～8μm，从表面至不锈钢金属纤维毡基材表面，实现了梯度化孔径，满足电解槽使用需求，还可以提高金属毡的耐蚀性能。
上述实施例和说明书中描述的只是说明本专利的原理，本行业的技术人员应该了解，本专利不受上述实施例的限制，在不脱离本专利精神和范围的前提下本专利还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本专利范围内。
Claims (7)
1.一种水电解槽用梯度化多孔金属毡，其特征在于，在金属纤维毡的外表面上附着至少一层采用等离子喷涂而成的球状金属颗粒层，所述球状金属颗粒的粒径为100～150μm；在所述球状金属颗粒层的上表面附着至少一层小颗粒金属层，所述小颗粒金属的粒径为30～50μm。
2.根据权利要求1所述的水电解槽用梯度化多孔金属毡，其特征在于，所述金属纤维毡为金属钛纤维毡、钛合金纤维毡、银纤维毡、镍纤维毡、不锈钢纤维毡、铬镍铁合金纤维毡中的一种。
3.根据权利要求1所述的水电解槽用梯度化多孔金属毡，其特征在于，所述球状金属颗粒的材质是与所述金属纤维毡相同的金属材质。
4.根据权利要求1所述的水电解槽用梯度化多孔金属毡，其特征在于，所述小颗粒金属层的材质是与所述球状金属颗粒层相同的金属材质。
5.根据权利要求1所述的水电解槽用梯度化多孔金属毡的制备方法，其特征在于，采用等离子喷涂的方式依次将烘干后的金属球状颗粒层喷涂在所述金属纤维毡的外表面，再将烘干后的小颗粒金属层喷涂在所述金属球状颗粒层的表面。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述喷涂是在5～8kPa下的真空喷涂。
7. 根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述喷涂的喷涂力10～100 MJ/kg，扫描速度100～500mm/s。
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