一种涂层复合陶瓷滤芯的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种涂层复合陶瓷滤芯的制备方法，该制备方法采用低熔点的原材料，并采用先分散后絮凝的方法制备涂层用浆料，使涂层中的原料和孔隙高度分散均匀，涂层工艺采用浸渍或者喷涂的方式将浆料涂层在复合陶瓷滤芯表面，涂层厚度均匀，涂层与坯体的结合性良好，烧结温度不高于950℃，不会使硅藻土中的天然微孔因为高温烧结而坍塌。
【专利说明】一种涂层复合陶瓷滤芯的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种涂层复合陶瓷滤芯的制备方法，特别是涉及一种可用于直饮型水过滤设备的高精度涂层复合陶瓷滤芯的制备方法。
【背景技术】
[0002]饮用水的污染物主要有细菌(例如大肠杆菌)、有机物(例如含氯代烃、苯类化合物)和重金属离子(例如铅、镉)。我们日常使用的自来水在杀菌处理过程中，一部分有机物和游离氯结合形成致癌的有机氯化物(如三氯甲烷)，此外管道内微生物也会再繁殖，这些都影响了水的品质，因此一般需要经过进一步纯化处理方可饮用。适合人类饮用的水不是越纯净越好，微量元素在人骨骼、神经系统、新陈代谢系统等的发育过程中起到至关重要的作用，而这些微量元素主要是从饮用水中汲取的。因此在水处理过程中，要尽量保留这些有益的矿物质。现有的陶瓷净水器可以在去除细菌、有机物、重金属离子的同时，保留人体必须的微量元素，因此广泛应用做家庭直饮水净化装置。
[0003]陶瓷净水器的关键过滤元件为陶瓷滤芯，是由陶瓷粉体经高温烧结而成的多孔过滤元件。与高分子反渗透膜以及中空纤维过滤膜不同，陶瓷滤芯采用深层过滤原理去除杂质，水的通道直径在0.1~ΙΟμπι之间分布，小的孔径对于细菌具有绝对的阻止能力，抗菌剂的引入则可以防止细菌在滤芯里的滋生，因此通过滤芯的水的质量安全可靠；而大的孔径可以保证滤芯具有小的阻力和大通量，对滤芯的实用性具有重要意义。
[0004]英国的Doulton公司是目前全球最大及最知名的陶瓷滤芯生产厂家，它以硅藻土为主要原料，经高温烧结 而成多孔过滤元件。硅藻土由硅藻遗体组成，主要成分为二氧化硅(80~95% )，其余的成分主要为氧化铝。硅藻本身为多孔结构，内部非常有规律排列的小孔的孔径一般为0.1~0.3 μ m之间，因此具有非常优异的过滤和吸附能力。为了提高过滤效果，要求硅藻土的含量尽可能高。但是因为硅藻土塑性低，含量过高将严重降低其成型能力，因此在成型过程中加入黏土以提高塑性和成型能力，但是这是以降低过滤效果为代价实现的。这种净水器既可以安装在家庭用的普通水龙头上，供城市家庭使用，也可以采用重力型净水装置产生纯净水，在没有自来水的地方使用。经过滤可以滤除水中的水垢，大肠杆菌、囊虫等致病细菌。通过装在滤芯中的炭部分去除水中的氯气、残留农药、有害有机物等，达到饮用水标准，不需要经过加热就可以直接饮用。但是由于炭的吸附速度有限，因此当应用到直饮机上的时候，吸附效果并不十分理想。为了解决这个问题，Doulton公司下属的Hinton International公司开发了Black Bcrkcylv黑色陶瓷滤芯。它是在原来的陶瓷滤芯的成型过程中加入一定量的炭，使其均匀分散在陶瓷滤芯内，显著提高了接触面积，从而避免水不流经炭造成炭“短路”，失去作用。与内装炭比较，这种滤芯吸附速度显著提高，而且饱和吸附量也显著提高。这主要是因为在复合滤芯中，炭均匀分布在硅藻土陶瓷颗粒之间，利用硅藻土的微细结构，使炭与水的接触面积显著增加，提高了吸附速度。由于炭和硅藻土的共同作用，促进了有机物的催化分解，导致总吸附量的显著提高。这种陶瓷滤芯细菌的去除率达到99.9%以上，有害有机物去除一般也都在95%以上，而重金属离子的去除在85%以上。此外，如果将滤芯经过载银处理，引入了少量的银离子，可以抑制长期使用后滤芯内细菌的滋生。但是，Black Bcrkcyκ:_黑色陶瓷滤芯在制备过程中，其烧结温度为1020~1200°C，高于1000°C，而现有的研究已经表明，当烧结温度高于1000°C时，硅藻土中的天然微孔会因为部分烧结而融合，致使硅藻土的过滤效率和滤芯的水通量同时降低。因此，为了防止上述现象发生，有必要降低生坯的烧结温度。
[0005]由于活性炭与硅藻土的烧结性能较差，含有活性炭的陶瓷滤芯的强度一般都比较低，在使用过程中容易出现表面粉尘脱落，陶瓷滤芯断裂的现象。因此，有必要提高陶瓷滤芯的强度。
【发明内容】
[0006]本发明旨在提供一种新型的含有硅藻土和炭的复合陶瓷滤芯的制备方法，以解决现有技术中存在的上述问题。
[0007]本发明的目的是基于以下的技术方案实现的:
[0008]一种涂层复合陶瓷滤芯的制备方法，包括如下步骤:
[0009]I)硅藻土原料采用经过高温煅烧的硅藻土助滤剂，平均粒度为20-40 μ m,将硅藻土、分散剂和去离子水加入到球磨罐中，球磨成均匀分布的浆料，所使用的硅藻土、分散剂和去离子水的重量比为1000:1~20:1000~2000，；
[0010]2)将絮凝剂和和稳定剂加入到步骤I中得到的浆料中，絮凝剂加入量为步骤I的硅藻土和分散剂使用总重量的0.2~3%;稳定剂加入量为步骤I的硅藻土和分散剂使用总重量的I~10% ;继续球磨使絮凝剂和稳定剂均匀分散在衆料中，球磨的转速是60rpm~150rpm,继续球磨时间是0.5~3小时，使絮凝剂和稳定剂在浆料中混合均匀，获得稳定的部分絮凝的浆料；
[0011]3)将步骤2中得到的部分絮凝的浆料静置12~48小时，使浆料充分均匀化并脱泡；
[0012]4)a/将硅藻土、植物纤维粉、分散剂、抗菌剂和去离子水加入到球磨罐中，球磨成均匀分布的浆料；所使用的硅藻土、植物纤维粉、分散剂、抗菌剂和去离子水的重量比为1000:30 ~1500:1 ~20:0 ~50:1000-2000 ；
[0013]b/将絮凝剂和和稳定剂加入到步骤a中得到的浆料中，继续球磨使絮凝剂和稳定剂均匀分散在浆料中，获得稳定的部分絮凝的浆料；
[0014]c/将步骤b中得到的部分絮凝的浆熟化，然后在模具内空心注浆成型，脱模后获得陶瓷滤芯生坯；
[0015]5)采用浸溃的方法在复合陶瓷坯体内、外表面进行涂层；所述浸溃包括外表面浸溃和内表面浸溃，外表面浸溃是将复合陶瓷滤芯坯体浸入熟化后的浆料，待坯体表面吸附上一层厚度为0.5~3_的涂层坯体，从涂层浆料中取出复合陶瓷滤芯坯体；内表面浸溃是将涂层浆料倒入复合陶瓷滤芯坯体空腔中，待在空腔内壁吸附的涂层厚度为0.5~3mm后倒出空腔中未吸附的浆料，获得内表面涂层滤芯；
[0016]6)将步骤5制备的涂层生坯在60~100°C下放置5~48小时，
[0017] 7)将干燥后的生坯在惰性气体保护下在650°C~950°C的温度保持I~5小时进行烧结，并随炉冷却到室温，获得含有涂层的复合陶瓷滤芯。[0018]利用上述技术路线可以制得不同形状、不同厚度的涂层复合陶瓷滤芯。
[0019]前述涂层复合陶瓷滤芯的制备方法中，步骤I中的硅藻土原料优选为市售的经过高温煅烧的硅藻土助滤剂，平均粒度为30 μ m。
[0020]分散剂优选为碳酸钠或水玻璃中的一种或其组合，将上述材料在球磨罐以60rpm~150rpm的转速球磨3~10小时后,可获得分散均匀的陶瓷衆料。
[0021]前述涂层复合陶瓷滤芯的制备方法中，步骤2中的絮凝剂优选为平均分子量为300万的聚丙烯酰胺、阿拉伯树胶、羧甲基纤维素钠或高岭土中的一种；稳定剂优选为钙基膨润土或钠基膨润土。
[0022]前述涂层复合陶瓷滤芯的制备方法中，步骤4中的熟化是指将步骤b中所获得的部分絮凝的浆料静置12~48小时，使浆料充分均匀化并脱泡。
[0023]步骤4中，还可以用喷涂的方法替代浸溃涂层方法，所述的喷涂是利用喷枪将涂层浆料均匀喷涂在复合陶瓷滤芯坯体的表面上，喷涂的厚度为0.5-3_。
[0024]前述涂层复合陶瓷滤芯的制备方法中，步骤6优选为，将步骤4中制备的生坯在70~90°C下放置10~40小时，除去坯体中的水分。
[0025]本发明所述的惰性气体可以为氩气、氦气、氡气或氮气中的一种,优选为氮气。
[0026]本发明的主要优 点是:
[0027](I)使用经过高温熔融煅烧的食品级硅藻助滤剂取代硅藻原土作为滤芯原料，显著提高原料的纯度，保证了过滤后的水不受硅藻土原料中可能存在的有害物质的污染；
[0028](2)采用先分散、后絮凝的方式制备注浆成型用的浆料:首先通过合适的分散剂使原料均匀分散，然后利用合适的絮凝剂、稳定剂使浆料部分絮凝，从而提高了坯体的孔隙率和孔径大小分布的均匀性，提高了浆料的稳定性(10小时不出现固液分层)，有利于保证产品质量的稳定性。
[0029](3)该制备方法没有使用高熔点的原料，并且坯体中原料和孔隙分散高度均匀，降低了烧结温度，使其低于950°C，从而不会使硅藻土中的天然微孔因为高温烧结而坍塌。
[0030](4)该制备方法制得的涂层复合陶瓷滤芯表面无粉尘脱落；并且滤芯具有内、中、外三层不同孔径过滤，增强了过滤功能，保证饮水安全，
[0031](5)三层结构显著改善了陶瓷滤芯的强度。
【具体实施方式】
[0032]下面结合实施例对本发明做进一步的描述，但不构成对本发明的任何限制。
[0033]首先制备含硅藻土和炭的复合陶瓷滤芯生坯
[0034]1、将 4000g 氧化招球(按重量比 Φ 30mm: Φ 20mm: Φ 15mm = 1:2:1)装入到 10 升
的聚胺脂球磨罐中，然后依次加入IL去离子水、1000g平均粒度为30 μ m的硅藻土助滤剂、30g平均粒度为15 μ m的食品级玉米淀粉、5g水玻璃(模数为3)、13克无水碳酸钠以及3g纳米银抗菌剂。将球磨罐密封后，以SOrpm的速度进行球磨8小时，获得分散的陶瓷浆料。
[0035]2、打开球磨罐，加入5g羧甲基纤维素钠盐及30g钙基膨润土，然后以SOrpm的速度继续球磨3小时，获得部分絮凝的稳定的陶瓷浆料。
[0036]3、将部分絮凝的陶瓷浆料静置12小时熟化，然后倒入石膏模具中，静置15分钟，然后将石膏模翻转倒出剩余的浆料；保持模具倒转，静置180分钟，脱模后得到直径50mm，壁厚6.5mm,长度250mm,—端封闭，另一端开口的陶瓷滤芯生还。
[0037]在该涂层复合陶瓷滤芯中，硅藻土与炭重量占滤芯总重量的94%。
[0038]实施例1
[0039]1、将4000g氧化铝球(按重量比Φ 30mm: Φ 20mm: Φ 15_ = 1:2:1)装入到10升
的聚胺脂球磨罐中，然后依次加入IL去离子水、1000g平均粒度为30 μ m的硅藻土助滤剂、5g水玻璃(模数为3)、13克无水碳酸钠。将球磨罐密封后，以80rpm的速度进行球磨10小时，获得分散的陶瓷浆料。
[0040]2、打开球磨罐，加入5g羧甲基纤维素钠盐及30g钙基膨润土，然后以SOrpm的速度继续球磨3小时，获得部分絮凝的稳定的陶瓷浆料。
[0041]3、将部分絮凝的陶瓷浆料静置12小时熟化，
[0042]4、将熟化后的浆料导入复合陶瓷滤芯内部，静置lmin，倒出多余浆料，静置Imin后放入80°C烘箱烘干4小时，将烘干后的陶瓷坯体插入陶瓷浆料中浸溃外层lmin，取出，待表面涂层水分干燥后放入80°C烘箱烘干6小时。然后在氮气保护下进行烧结。烧结过程中，以2°C /min的升温速度温到650°C，并在650°C保温5小时，然后随炉冷却至室温，得到涂层复合陶瓷滤芯。
[0043]用孔隙率测定仪对制得的涂层复合陶瓷滤芯检测后发现，滤芯的孔隙率63% ;再将制得的涂层复合陶瓷滤芯壁切成6mmX6mmX50mm的长条，检测其三点抗弯强度，其三点弯曲强度12MPa ;本发明中，利用一端封闭，另外一端开口的滤芯进行重力过滤的过滤效果检测，将未过滤的水加入到涂层复合陶瓷滤芯内，然后对滤芯中渗透出来的过滤后的水进行大肠杆菌去除率、氯离子去除率、铅离子去除率、肉眼可见物、浑浊度和陶瓷滤芯开孔孔隙率的分析检测，大肠杆菌去除率>99.99% ;水中残氯去除氯>99% ;铅去除率>99% ;无肉眼可见物；浑浊度< 0.1NTU。
[0044]实施例2
[0045]1、将 4000g 氧化招球(按重量比 Φ 30mm: Φ 20mm: Φ 15mm = 1:2:1)装入到 10 升的聚胺脂球磨罐中，然后依次加入1.25L去离子水、1000g平均粒度为30 μ m的硅藻土助滤剂、5g水玻璃(模数为3)、8克无水碳酸钠。将球磨罐密封后，以80rpm的速度进行球磨8小时，获得分散的陶瓷浆料。
[0046]2、打开球磨罐，加入20g的高岭土及30g钙基膨润土，然后以80rpm的速度继续球磨3小时，获得部分絮凝的稳定的陶瓷浆料。
[0047]3、将部分絮凝的陶瓷浆料静置12小时熟化，
[0048]4、将熟化后的浆料导入复合陶瓷滤芯内部，静置lmin，倒出多余浆料，静置Imin后放入80°C烘箱烘干4小时，将烘干后的陶瓷坯体插入陶瓷浆料中浸溃外层lmin，取出，待表面涂层水分干燥后放入80°C烘箱烘干6小时。然后在氮气保护下进行烧结。烧结过程中，以2°C /min的升温速度温到800°C，并在800°C保温3小时，然后随炉冷却至室温，得到涂层复合陶瓷滤芯。
[0049]用孔隙率测定仪对制得的涂层复合陶瓷滤芯检测后发现，滤芯的孔隙率66% ;再将制得的涂层复合陶瓷滤芯壁切成6mmX6mmX50mm的长条，检测其三点抗弯强度，其三点弯曲强度16.7MPa;本发明中，利用一端封闭，另外一端开口的滤芯进行重力过滤的过滤效果检测，将未过滤的水加入到涂层复合陶瓷滤芯内，然后对滤芯中渗透出来的过滤后的水进行大肠杆菌去除率、氯离子去除率、铅离子去除率、肉眼可见物、浑浊度和陶瓷滤芯开孔孔隙率的分析检测，大肠杆菌去除率>99.99% ;水中残氯去除氯>99% ;铅去除率>99% ;无肉眼可见物；浑浊度< 0.1NTU。
[0050]实施例3
[0051]1、将 4000g 氧化招球(按重量比 Φ 30mm: Φ 20mm: Φ 15mm = 1:2:1)装入到 10 升的聚胺脂球磨罐中，然后依次加入1.5L去离子水、1000g平均粒度为30 μ m的硅藻土助滤剂、IOg水玻璃(模数为3)、5克无水碳酸钠。将球磨罐密封后，以80rpm的速度进行球磨6小时，获得分散的陶瓷浆料。
[0052]2、打开球磨罐,加入5g阿拉伯胶及60g 钙基膨润土,然后以80rpm的速度继续球磨2小时，获得部分絮凝的稳定的陶瓷浆料。
[0053]3、将部分絮凝的陶瓷浆料静置20小时熟化，
[0054]4、将熟化后的浆料导入复合陶瓷滤芯内部，静置lmin，倒出多余浆料，静置Imin后放入100°C烘箱烘干4小时，将烘干后的陶瓷坯体插入陶瓷浆料中浸溃外层lmin，取出，待表面涂层水分干燥后放入100°C烘箱烘干6小时。然后在氮气保护下进行烧结。烧结过程中，以2V /min的升温速度温到900°C，并在900°C保温3小时，然后随炉冷却至室温，得到涂层复合陶瓷滤芯。
[0055]用孔隙率测定仪对制得的涂层复合陶瓷滤芯检测后发现，滤芯的孔隙率68% ;再将制得的涂层复合陶瓷滤芯壁切成6mmX6mmX50mm的长条，检测其三点抗弯强度，其三点弯曲强度15.6MPa ;本发明中，利用一端封闭，另外一端开口的滤芯进行重力过滤的过滤效果检测，将未过滤的水加 入到涂层复合陶瓷滤芯内，然后对滤芯中渗透出来的过滤后的水进行大肠杆菌去除率、氯离子去除率、铅离子去除率、肉眼可见物、浑浊度和陶瓷滤芯开孔孔隙率的分析检测，大肠杆菌去除率>99.99% ;水中残氯去除氯>99% ;铅去除率>99% ;无肉眼可见物；浑浊度< 0.1NTU。
[0056]实施例4
[0057]1、将 4000g 氧化招球(按重量比 Φ 30mm: Φ 20mm: Φ 15mm = 1:2:1)装入到 10 升的聚胺脂球磨罐中，然后依次加入1.6L去离子水、1000g平均粒度为30 μ m的硅藻土助滤剂、8g水玻璃(模数为3)、7克无水碳酸钠。将球磨罐密封后，以80rpm的速度进行球磨I小时，获得分散的陶瓷浆料。
[0058]2、打开球磨罐，加入15g羧甲基纤维素纳及60g钙基膨润土，然后以SOrpm的速度继续球磨2小时，获得部分絮凝的稳定的陶瓷浆料。
[0059]3、将部分絮凝的陶瓷浆料静置20小时熟化，
[0060]4、将熟化后的浆料导入复合陶瓷滤芯内部，静置lmin，倒出多余浆料，静置Imin后放入90°C烘箱烘干4小时，将烘干后的陶瓷坯体插入陶瓷浆料中浸溃外层lmin，取出，待表面涂层水分干燥后放入90°C烘箱烘干6小时。然后在氮气保护下进行烧结。烧结过程中，以5°C /min的升温速度温到950°C，并在950°C保温3小时，然后随炉冷却至室温，得到涂层复合陶瓷滤芯。
[0061]用孔隙率测定仪对制得的涂层复合陶瓷滤芯检测后发现，滤芯的孔隙率60% ;再将制得的涂层复合陶瓷滤芯壁切成6mmX6mmX50mm的长条，检测其三点抗弯强度，其三点弯曲强度23MPa;本发明中，利用一端封闭，另外一端开口的滤芯进行重力过滤的过滤效果检测，将未过滤的水加入涂层到复合陶瓷滤芯内，然后对滤芯中渗透出来的过滤后的水进行大肠杆菌去除率、氯离子去除率、铅离子去除率、肉眼可见物、浑浊度和陶瓷滤芯开孔孔隙率的分析检测，大肠杆菌去除率>99.99% ;水中残氯去除氯>99% ;铅去除率>99% ;无肉眼可见物；浑浊度< 0.1NTU。
【权利要求】
1.涂层复合陶瓷滤芯的制备方法，包括以下步骤: 1)硅藻土原料采用经过高温煅烧的硅藻土助滤剂，平均粒度为20-40μ m，将硅藻土、分散剂和去离子水加入到球磨罐中，球磨成均匀分布的浆料，所使用的硅藻土、分散剂和去离子水的重量比为1000:1~20:1000~2000 ； 2)将絮凝剂和和稳定剂加入到步骤I中得到的浆料中，絮凝剂加入量为步骤I的硅藻土和分散剂使用总重量的0.2~3% ;稳定剂加入量为步骤I的硅藻土和分散剂使用总重量的I~10% ;继续球磨使絮凝剂和稳定剂均匀分散在衆料中，球磨的转速是60rpm~150rpm，继续球磨时间是0.5~3小时，使絮凝剂和稳定剂在浆料中混合均匀，获得稳定的部分絮凝的浆料； 3)将步骤2中得到的部分絮凝的浆料静置12~48小时，使浆料充分均匀化并脱泡； 4)a/将硅藻土、植物纤维粉、分散剂、抗菌剂和去离子水加入到球磨罐中，球磨成均匀分布的浆料；所使用的硅藻土、植物纤维粉、分散剂、抗菌剂和去离子水的重量比为1000:30 ~1500:1 ~20:0 ~50:1000-2000 ； b/将絮凝剂和和稳定剂加入到步骤a中得到的浆料中，继续球磨使絮凝剂和稳定剂均匀分散在浆料中，获得稳定的部分絮凝的浆料； c/将步骤b中得到的部分絮凝的浆熟化，然后在模具内空心注浆成型，脱模后获得陶瓷滤芯生坯； 5)采用浸溃的方法在步骤4)制得的复合陶瓷滤芯生坯内、外表面进行涂层；所述浸溃包括外表面浸溃和内表面浸溃，外表面浸溃是将复合陶瓷滤芯坯体浸入熟化后的浆料，待坯体表面吸附上一层厚度为0.5~3_的涂层坯体，从涂层浆料中取出复合陶瓷滤芯坯体；内表面浸溃是将涂层浆料倒入复合陶瓷滤芯坯体空腔中，待在空腔内壁吸附的涂层厚度为0.5~3_后倒出空腔中未吸附的浆料，获得内表面涂层滤芯； 6)将步骤5制备的涂层生坯在60~100°C下放置5~48小时； 7)将干燥后的生坯在惰性气体保护下在650°C~950°C的温度保持I~5小时进行烧结，并随炉冷却到室温，获得含有涂层的复合陶瓷滤芯。
2.根据权利要求1所述的涂层复合陶瓷滤芯的制备方法，其特征在于:步骤I中的硅藻土原料为经过高温煅烧的硅藻土助滤剂，平均粒度为30 μ m。
3.根据权利要求1所述的涂层复合陶瓷滤芯的制备方法，其特征在于:分散剂为碳酸钠或水玻璃中的一种或其组合。
4.根据权利要求1所述的涂层复合陶瓷滤芯的制备方法，其特征在于:步骤I中的球磨转速为60rpm~150rpm,球磨时间3~10小时，获得均匀分布的衆料。
5.根据权利要求2、3或4所述的涂层复合陶瓷滤芯的制备方法，其特征在于:絮凝剂为平均分子量为300万的聚丙烯酰胺、阿拉伯树胶、羧甲基纤维素钠或高岭土中的一种；稳定剂为钙基膨润土或钠基膨润土。
6.根据权利要求1所述的涂层复合陶瓷滤芯的制备方法，其特征在于:步骤5中用喷涂的方法替代浸溃涂层，所述的喷涂是利用喷枪将涂层浆料均匀喷涂在复合陶瓷滤芯坯体的内外表面上，喷涂的厚度为0.5~3mm。
7.根据权利要求1所述的涂层复合陶瓷滤芯的制备方法，其特征在于:步骤6中将制备的涂层生坯在70~90°C下放置10~40小时。
8.根据权利要求1所述的涂层复合陶瓷滤芯的制备方法，其特征在于:所述的惰性气体为氩气、氦气、氡气 或氮气中的一种。
【文档编号】C04B35/622GK104014195SQ201410188171
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年5月6日 优先权日:2014年5月6日
【发明者】洪昱斌, 陈金发, 蓝伟光 申请人:三达膜科技（厦门）有限公司