专利名称：一种复合碳化硅陶瓷过滤膜材料的制备方法
技术领域：
本发明属于多孔陶瓷过滤膜材料技术领域，特别涉及一种采用干压成型与同步烧结工艺制备复合碳化硅陶瓷过滤膜材料的方法，主要用于高温除尘气体。
背景技术：
能源的利用主要是通过直接燃烧来获得。由于现有技术的制约导致燃烧不充分，不仅能源利用效率较低，还排放出大量粉尘，对环境污染严重。提高能源利用效率，减少粉尘排放是目前材料学的重要研究方向。陶瓷过滤管被广泛应用在高温气体除尘净化技术中，已成为材料、冶金、化工、电力等行业实现气固分离、节能环保的关键部件。传统的高强度耐高温陶瓷过滤管一般采用两部分的结构，即支撑体部分和过滤膜部分。支撑体采用大粒径陶瓷颗粒来制备，能为过滤管内层提供力学强度；组成过滤膜的陶瓷颗粒则较小，保证了整个过滤体有足够的过滤除尘效率和精度。传统的陶瓷过滤管材料，由于制备支撑体的陶瓷颗粒粒径较大、孔径大，远大于表面膜的颗粒粒径，在其表面上制膜时，因表面膜粉料 进入支撑体的空隙中，从而增加了过滤管材料的过滤压降程度，增加了膜的厚度，影响过滤管材料的整体性能。复合碳化硅陶瓷过滤膜材料，是在碳化硅表面膜和碳化硅陶瓷支撑体之间增加陶瓷纤维过渡层，来达到改进过滤管材料的结构和性能；该纤维层不仅阻止了表面膜粉料进入支撑体空隙，而且有效降低了过滤材料的过滤压降程度。多孔陶瓷过滤膜一般通过浆料涂层法制备，如提拉法、喷涂法和流延成型法等，但是由于多孔陶瓷基材的孔较多，孔径较大，表面也不平整，直接在多孔陶瓷基材表面上涂层时，主要出现三个缺陷一、由于基材的孔径较大，导致过滤膜浆料会进入基材空气中，影响其过滤效果；二、由于基材较多和表面不平整，不能提供有利于涂层时所有的光滑平整的表面，导致涂制的膜结构不光滑平整。三、多孔陶瓷过滤膜一般是先把多孔陶瓷基材压制成型后进行烧结，然后在基材上涂层，最后再烧结；其制备工艺复杂，且耗时长、耗能大。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种复合碳化硅陶瓷过滤膜材料的制备方法，采用干压成型与同步烧结工艺，先在多孔陶瓷支撑体表面上涂铺压制一层烧结可挥发的填孔剂，再在其表面上压制陶瓷纤维层，最后在纤维层表面上压制过滤膜层。填孔剂能有效地将支撑体表面孔隙封堵，避免陶瓷纤维进入基材中；由于利用干压成型，使得各层的表面较为平整光滑，为各膜层成型提供了平整光滑的表面，有利于制备出更均匀、更平整的复合碳化硅过滤膜材料坯体；同时，只需进行一次烧结即可得到复合碳化硅陶瓷过滤膜材料；具有工艺简单、效率高、能耗低等特点。本发明所采用的技术方案一种复合碳化硅陶瓷过滤膜材料的制备方法，其步骤如下I、将碳化硅、陶瓷粘结剂、造孔剂和羧甲基纤维纳(CMC)溶液按碳化硅、陶瓷粘结剂、造孔剂和羧甲基纤维纳(CMC)溶液的质量比为10:0. 5 3. 3:0. 5 4. 0:1. O 3. O的比例混合搅拌均匀后干压成型，得到碳化硅多孔陶瓷支撑体坯体，压力为10 lOOMPa，其中羧甲基纤维纳(CMC)溶液的质量浓度为lwt% 4wt%。所述陶瓷粘结剂由质量分数为65wt%钾长石、12wt%高岭土和23wt%石英混合球磨配置而成。
所述陶瓷粘结剂粉体的颗粒粒径为0. I 3 i! m。所述碳化娃的粒径为180 350 V- m。所述造孔剂为活性炭，其颗粒粒径为0. I 5pm。2、在碳化硅多孔陶瓷支撑体坯体表面上涂铺一层烧结可挥发的填孔剂粉末并干压成型，压力为I 5MPa。涂铺填孔剂可将支撑体坯体表面空隙堵塞，避免膜粉料进入支撑体的空隙中。所述填孔剂粉末粒径为0. I 5 ii m。所述填孔剂是活性炭或石墨。3、取平均长度为IOmm的莫来石纤维，按莫来石纤维、陶瓷粘结剂的质量比为1:0. 3 I. 5的比例混合搅拌均匀得到陶瓷纤维混合料；将陶瓷纤维过渡层均匀涂铺在步骤2)所得型材表面上，并干压成型，压力为I 5 MPa。所述莫来石纤维单根直径分布I 15 m，长径比大于10。4、按碳化硅粉料、陶瓷粘结剂的质量比为10:0. 5 3. 3的比例混合并搅拌均匀，得到过滤膜混合料，将过滤膜混合料均匀涂铺在步骤3)所得型材表面上，并干压成型，压力为I 5 MPa。在过滤膜混合料中，当陶瓷粘结剂含量较少、压力较大时，孔隙率较大，干压成型后的过滤膜可以满足相应性能要求。当陶瓷粘结剂较多时，孔隙率小，需要在过滤膜混合料中添加造孔剂来提高孔隙率，所添加的造孔剂的质量分数在30wt%以下。5、将步骤4)所得型材进行烧结，烧结温度为1100 1500°C，升温速率I 10°C/min，保温时间为I 3h，得复合碳化硅陶瓷过滤膜材料。本发明工艺简单，采用干压成型与同步烧结工艺，在碳化硅陶瓷支撑体表面上涂铺压制一层烧结可挥发的填孔剂将支撑体表面的孔隙封堵，并在碳化硅表面膜和碳化硅陶瓷支撑体之间引入陶瓷纤维过渡层，有效地避免过滤膜材料进入基材中，不仅能为制备陶瓷纤维过渡层和表面膜层提供了有利于成型的光滑表面，且只需一次烧结即可制备出更均匀、更平整的复合碳化硅陶瓷过滤膜材料，具有效率高、能耗低等特点。
图I是本发明提供的复合碳化硅陶瓷过滤膜材料表面的SEM图。图2是本发明提供的复合碳化硅陶瓷过滤膜材料断面的SEM图。
具体实施例方式下面结合实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例一
I、按质量分数为65被％钾长石、12被％高岭土、23wt%石英，分别取钾长石、高岭土和石英混合球磨至颗粒粒径为0. I 3 ym，得到陶瓷粘结剂。2、分别称取IOg碳化娃颗粒、I. Ilg陶瓷粘结剂、I. 33g活性炭(粒径3 ii m)和I. 5g质量分数为2wt%的羧甲基纤维纳(CMC)溶液；首先将碳化硅颗粒加入CMC溶液中，并搅拌均匀；再分别将陶瓷粘结剂和活性炭加入，并搅拌至均匀后，称其4g混合料并干压成型，压力约为26MPa，得到碳化硅多孔陶瓷支撑体坯体，直径20mm，厚度约为5mm。其中碳化硅颗粒的平均粒径为300 iim。 3、在支撑体坯体表面分散涂铺一层活性炭粉末(粒径为3 y m。)，并干压成型，压力约为2MPa。4、取Ig莫来石纤维、0. 88g陶瓷粘结剂混合，并搅拌均匀，即制得陶瓷纤维混合料。在支撑体坯体表面上的活性炭层表面上表面，分散涂铺陶瓷纤维混合料，并干压成型，压力约2MPa。5、将Ig碳化硅粉料、0. 17g陶瓷粘结剂、0. 17g造孔剂混合，并搅拌均匀，得过滤膜混合料(其中碳化硅粉料的平均粒径为23 ym，陶瓷粘结剂的质量分数15wt%，造孔剂活性炭的质量分数15wt%)。在支撑体坯体表面上的陶瓷纤维层表面上，分散涂铺过滤膜混合料，并干压成型，压力约为I. 5MPa。6、将步骤5)所得型材进行烧结，烧结温度1300°C，升温速率5°C，保温时间为2h，即可制得复合碳化硅陶瓷过滤膜材料。检验结果所得复合碳化硅陶瓷过滤膜材料的表面SEM显微照片如图I所示，复合碳化硅陶瓷过滤膜表面平整、孔径分布均匀缺陷少；表面过滤膜的平均孔隙率46%，平均孔径10 u m。其断面SEM显微照片如图2所示，复合碳化硅陶瓷过滤膜厚分布均匀，未见陶瓷纤维过渡层进入支撑体堵塞孔道，同时陶瓷纤维过渡层起到了架桥承接作用。实施例二I、同实施例一的步骤(I)。2、分别称取IOg碳化娃颗粒、I. 85g陶瓷粘结剂、2. 13g活性炭(粒径4 ii m)和I. 9g质量分数为3被％的羧甲基纤维纳(CMC)溶液；首先将碳化硅颗粒加入CMC溶液中，并搅拌均匀；再分别将陶瓷粘结剂和活性炭加入，并搅拌至均匀后，称其4g混合料并干压成型，压力约为26MPa，得到碳化硅多孔陶瓷支撑体坯体，直径20mm，厚度约为5mm。其中碳化硅颗粒的平均粒径为250 u m。3、在支撑体坯体表面分散涂铺一层石墨粉末(粒径为0. 7 ym。)，并干压成型，压力约为4MPa。4、取Ig莫来石纤维、0. 5g陶瓷粘结剂混合，并搅拌均匀，即制得陶瓷纤维混合料。在支撑体坯体表面上的活性炭层表面上表面，分散涂铺陶瓷纤维混合料，并干压成型，压力约 2MPa。5、将Ig碳化硅粉料、0. 24g陶瓷粘结剂、0. 32g造孔剂混合，并搅拌均匀，得过滤膜混合料。在支撑体坯体表面上的陶瓷纤维层表面上，分散涂铺过滤膜混合料，并干压成型，压力约为2. 5MPa。6、将步骤5)所得型材进行烧结，烧结温度1200°C，升温速率8°C，保温时间为lh，即可制得复合碳化硅陶瓷过滤膜材料。
实施例三I、同实施例一的步骤(I)。2、分别称取IOg碳化硅颗粒、2. 68g陶瓷粘结剂、3. 45g活性炭(粒径3 U m)和2. 5g质量分数为2wt%的羧甲基纤维纳(CMC)溶液；首先将碳化硅颗粒加入CMC溶液中，并搅拌均匀；再分别将陶瓷粘结剂和活性炭加入，并搅拌至均匀后，称其4g混合料并干压成型，压力约为26MPa，得到碳化硅多孔陶瓷支撑体坯体，直径20mm，厚度约为5mm。其中碳化硅颗粒的平均粒径为220 iim。3、在支撑体坯体表面分散涂铺一层活性炭粉末(粒径为3 y m。)，并干压成型，压力约为3MPa。4、取Ig莫来石纤维、I. 2g陶瓷粘结剂混合，并搅拌均匀，即制得陶瓷纤维混合料。在支撑体坯体表面上的活性炭层表面上表面，分散涂铺陶瓷纤维混合料，并干压成型，压力 约 3MPa。5、将Ig碳化娃粉料、0. 054g陶瓷粘结剂混合,并搅拌均勻，得过滤膜混合料。在支撑体坯体表面上的陶瓷纤维层表面上，分散涂铺过滤膜混合料，并干压成型，压力约为
3.5MPa06、将步骤5)所得型材进行烧结，烧结温度1400°C，升温速率8°C，保温时间为2h，即可制得复合碳化硅陶瓷过滤膜材料。检验结果所得复合碳化硅陶瓷过滤膜材料表面平整、孔径分布均匀缺陷少；表面过滤膜的平均孔隙率44%，平均孔径12 y m ;复合碳化硅陶瓷过滤膜厚分布均匀，未见陶瓷纤维过渡层进入支撑体堵塞孔道，同时陶瓷纤维过渡层起到了架桥承接作用；但是支撑体、陶瓷纤维过渡层和表面碳化硅膜三者连接不紧密，表面层过滤膜容易脱落，其原因是由于表面层过滤膜没有陶瓷粘结剂，导致膜层间、颗粒间的粘结性差。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种复合碳化硅陶瓷过滤膜材料的制备方法，其特征在于，其步骤如下 I )、将碳化硅、陶瓷粘结剂、造孔剂和羧甲基纤维纳溶液按碳化硅、陶瓷粘结剂、造孔剂和羧甲基纤维纳溶液的质量比为10:0. 5 3. 3:0. 5 4. 0:1. O 3. O的比例混合搅拌均匀后干压成型，得到碳化硅多孔陶瓷支撑体坯体，压力为10 lOOMPa，其中羧甲基纤维纳溶液的质量浓度为lwt% 4wt% ； 所述造孔剂为活性炭，其颗粒粒径为0. I ; 2)、在碳化硅多孔陶瓷支撑体坯体表面上涂铺一层烧结可挥发的填孔剂粉末并干压成型，压力为I 5MPa ； 3)、取平均长度为IOmm的莫来石纤维，按莫来石纤维、陶瓷粘结剂的质量比为1:0.3 I. 5的比例混合搅拌均匀得到陶瓷纤维混合料；将陶瓷纤维过渡层均匀涂铺在步骤2)所得型材表面上,并干压成型,压力为I 5 MPa ； 4)、按碳化硅粉料、陶瓷粘结剂的质量比为10:0.5 3. 3的比例混合并搅拌均匀，得到过滤膜混合料，将过滤膜混合料均匀涂铺在步骤3)所得型材表面上，并干压成型，压力为I 5 MPa ； 5)、将步骤4)所得型材进行烧结，烧结温度为1100 1500°C，升温速率I 10°C/min，保温时间为I 3h，得复合碳化硅陶瓷过滤膜材料。
2.根据权利要求I所述的复合碳化硅陶瓷过滤膜材料的制备方法，其特征在于所述陶瓷粘结剂由质量分数为65wt%钾长石、12wt%高岭土和23wt%石英混合球磨配置而成。
3.根据权利要求2所述的复合碳化硅陶瓷过滤膜材料的制备方法，其特征在于所述陶瓷粘结剂粉体的颗粒粒径为0. I 3 ii m。
4.根据权利要求I所述的复合碳化硅陶瓷过滤膜材料的制备方法，其特征在于在步骤I)中所述碳化娃的粒径为180 350 V- m。
5.根据权利要求I所述的复合碳化硅陶瓷过滤膜材料的制备方法，其特征在于所述填孔剂粉末粒径为0. I 5 ii m。
6.根据权利要求I所述的复合碳化硅陶瓷过滤膜材料的制备方法，其特征在于所述填孔剂是活性炭或石墨。
7.根据权利要求I所述的复合碳化硅陶瓷过滤膜材料的制备方法，其特征在于所述莫来石纤维单根直径分布I 长径比大于10。
8.根据权利要求I所述的复合碳化硅陶瓷过滤膜材料的制备方法，其特征在于在过滤膜混合料中添加造孔剂，所添加的造孔剂的质量分数在30wt%以下。
全文摘要
本发明属于多孔陶瓷过滤膜材料技术领域，涉及一种复合碳化硅陶瓷过滤膜材料的制备方法，是将碳化硅、陶瓷粘结剂、造孔剂和羧甲基纤维纳溶液混匀后干压成型，得到碳化硅多孔陶瓷支撑体坯体，在支撑体坯体表面上分散涂铺一层填孔剂粉末，干压成型，再在其表面涂铺陶瓷纤维混合料，并干压成型，最后在其表面上涂铺过滤膜混合料，干压压制成型，进行烧结，得复合碳化硅陶瓷过滤膜材料。本发明工艺简单，采用烧结可挥发的填孔剂将支撑体表面的孔隙封堵，并引入陶瓷纤维过渡层，有效地避免过滤膜材料进入基材中，只需一次烧结即可制备出更均匀、更平整的复合碳化硅陶瓷过滤膜材料，具有效率高、能耗低等特点。
文档编号C04B35/565GK102718494SQ20121020784
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月21日 优先权日2012年6月21日
发明者张国庆, 李建保, 王春鹏, 苏魁范, 邓湘云 申请人:海南大学