一种纯碳化硅多孔陶瓷膜的制备方法
【专利摘要】本发明涉及纯碳化硅多孔陶瓷膜的制备方法，包括有以下步骤：1)碳化硅素胚的成型；2)碳化硅膜层的涂覆；3)纯碳化硅多孔陶瓷的烧结。本发明的有益效果在于：由于碳化硅相比氧化铝、堇青石、莫来石等具有良好的耐高温、耐腐蚀和抗热震性能，本发明提出由细颗粒的碳化硅作为粘结剂，将大颗粒的碳化硅作为骨料，复合造孔剂等材料，形成一种纯碳化硅多孔陶瓷膜材料，必将大幅提升膜材料的耐高温、耐腐蚀和抗热震性能，极大的拓宽了无机陶瓷膜的使用范围和在严酷条件下的使用寿命，具有广阔的应用前景。
【专利说明】一种纯碳化硅多孔陶瓷膜的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无机非金属材料【技术领域】，具体的是涉及一种纯碳化硅多孔陶瓷膜的制备方法。
【背景技术】
[0002]高性能膜材料是新型高效分离技术的核心材料，已经成为解决水资源、能源、环境等领域重大问题的共性技术之一，在促进我国国民经济发展、产业技术进步与增强国际竞争力等方面发挥着重要作用。高性能膜材料的应用覆盖面在一定程度上反映一个国家过程工业、能源利用和环境保护的水平。由于无机膜相比有机膜具有良好的机械强度、耐热、耐酸碱性能，因此无机陶瓷膜是今后高效分离【技术领域】重要的发展方向。
[0003]近年来，化工、冶金、电力、石油等行业的废水处理回用和原油加工、石化产品生产等行业的有机溶剂回用处理；天然气利用和输送中的脱水、脱二氧化碳和脱硫化氢，以及实现煤的清洁利用；发酵工业和过程工业中恒沸体系的分离及物料脱水等行业和领域，均亟待开发高性能的膜材料。以上行业的需求，推动的膜材料的开发和技术提升，特别是如何提生膜材料在严酷环境下(强酸碱、高温、强热震等)的使用寿命问题。
[0004]围绕提升无机陶瓷膜材料在严酷环境下的使用寿命问题，主要有两个阶段，第一阶段使用耐高温、耐腐蚀的原材料作为骨料，比如使用碳化硅膜替代氧化铝膜；第二阶段提升粘结剂材料的耐高温、耐腐蚀性能，比如骨料间的粘结由磷酸盐粘结改变为莫来石粘结，甚至采用氮化硅结合碳化硅。经过这两个阶段的改善，现有的无机陶瓷膜材料在严酷环境的使用寿命有了大幅的提升，但是其粘结材料的性能仍然是现有无机陶瓷膜材料的薄弱环节，仍然有很大的提升空间。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种纯碳化硅多孔陶瓷膜的制备方法，所得碳化硅陶瓷膜制品抗弯强度高，气孔率大。
[0006]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:一种纯碳化硅多孔陶瓷膜的制备方法，包括有以下步骤:
[0007]I)碳化硅素胚的成型
[0008]Al、原材料选取:碳化硅粉1、碳化硅粉I1、低密度聚乙烯、邻苯二甲酸二丁酯按质量比 100:10-15:4-8:0.1-0.4 选取备用；
[0009]B1、原材料混合:按比例选取的原材料在120°C的温度下混合形成均匀的混合物；
[0010]Cl、碳化硅素胚的成型:将步骤BI所得的混合物放入挤出成型机，成型为多通道管状素胚；
[0011]2)碳化硅膜层的涂覆
[0012]A2、碳化硅膜层浆液制备:水、碳化硅粉II1、碳化硅粉V1、纤维素醚按质量比100:30-40:3-5:0.08-0.4混合均匀，制得碳化硅膜层浆液；
[0013]B2、碳化硅膜层的涂覆:将膜层浆液注入按步骤I)制备的多通道管状素胚的通道中，流动15-25s，制得碳化硅胚体；
[0014]3)纯碳化硅多孔陶瓷的烧结
[0015]A3、干燥:将步骤2)制备的碳化硅胚体置于烘箱中干燥；
[0016]B3、烧结:将通过步骤A3干燥后的试件置于空气气氛炉中保温，再置于真空炉内保温，最后随炉冷却至室温，制得纯碳化硅多孔陶瓷膜材料。
[0017]按上述方案，步骤3)所述的干燥温度为105_120°C，干燥时间3_4h。
[0018]按上述方案，空气气氛炉中保温温度为550_650°C，保温时间为2_5h ;真空炉内保温温度为2000-2200°C，保温时间为l_5h。
[0019]按上述方案，步骤I)中所述的碳化硅粉I平均粒径为70-90 μ m，纯度大于98% ；碳化硅粉II平均粒径为3-5 μ m，纯度大于98% ;低密度聚乙烯的软化点80_90°C。
[0020]按上述方案，步骤2)中所述的碳化硅粉III平均粒径为10-20 μ m,纯度大于98% ；碳化硅粉VI平均粒径为1-4 μ m，纯度大于98% ;纤维素醚为羟甲基纤维素醚或羟乙基纤维素醚，分子量为20000。
[0021]本发明材料组成中主要由不同粒度的碳化硅粉组成，其中粒径小于7μπι的碳化硅颗粒在大于2000°C的条件下，会发生蒸发和重结晶的过程，该过程会把颗粒较大的颗粒粘接在一起，使碳化硅陶瓷具有一定的强度，从而形成纯碳化硅的结构。因为碳化硅相比于其他的粘接剂，比如莫来石相、磷酸盐等，具有更为优异的抗热震性能和耐酸碱性能，使纯碳化硅陶瓷膜具有能够在跟苛刻的服役环境下使用，且具有优异的使用耐久性。在组成中加入低密度的聚乙烯和邻苯二甲酸二丁酯，能够将碳化硅粉在成型时粘结在一起，并使胚体具有一定的强度和柔韧性，防止在干燥和升温过程中胚体开裂，此外在高温情况下，低密度的聚乙烯和邻苯二甲酸二丁酯发生氧化并挥发，在胚体内能够形成大量的连通孔隙，起到早期粘结和造孔的作用，在纯碳化硅陶瓷膜内几乎不残留。
[0022]本发明的有益效果在于:由于碳化硅相比氧化铝、堇青石、莫来石等具有良好的耐高温、耐腐蚀和抗热震性能，本发明提出由细颗粒的碳化硅作为粘结剂，将大颗粒的碳化硅作为骨料，复合造孔剂等材料，形成一种纯碳化硅多孔陶瓷膜材料，必将大幅提升膜材料的耐高温、耐腐蚀和抗热震性能，极大的拓宽了无机陶瓷膜的使用范围和在严酷条件下的使用寿命，具有广阔的应用前景，本发明所得碳化硅陶瓷膜制品的抗弯强度> 30MPa，气孔率彡40%，1200°C?28°C热冲击循环> 55次、气体渗透系数> 2000m3/(m2.h).(0.1MPa)、纯水通量> 5m3/(m2h)、pH值耐受范围0_14。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为本发明的实施例1所得碳化硅陶瓷膜材料的微观形貌图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步详细的说明，但是此说明不会构成对本发明的限制。
[0025]实施例1:
[0026]I)碳化硅素胚的成型
[0027]Al、原材料选取:碳化硅粉1、碳化硅粉I1、低密度聚乙烯、邻苯二甲酸二丁酯按质量比100:10:4:0.1选取备用；
[0028]B1、原材料混合:按比例选取的原材料在120°C的温度下混合形成均匀的混合物；
[0029]Cl、碳化硅素胚的成型:将步骤BI所得的混合物放入挤出成型机，成型为多通道管状素胚。
[0030]2)碳化硅膜层的涂覆
[0031]A2、碳化硅膜层浆液制备:水、碳化硅粉II1、碳化硅粉V1、纤维素醚按质量比100:30:3:0.08混合均匀，制得碳化硅膜层浆液；
[0032]B2、碳化硅膜层的涂覆:将膜层浆液注入按步骤I)制备的素胚的通道中，流动15s,制得碳化娃胚体。
[0033]3)纯碳化硅多孔陶瓷的烧结
[0034]A3、干燥:将步骤2)制备的碳化硅胚体置于105°C的烘箱中干燥4h ；
[0035]B3、烧结:将通过步骤A3干燥后的试件置于550°C的空气气氛炉中保温5h，再置于2000°C的真空炉内保温5h，最后随炉冷却至室温，制得纯碳化硅多孔陶瓷膜材料。
[0036]步骤I)中所述的碳化硅粉I平均粒径为70 μ m,纯度99 % ;碳化硅粉II平均粒径为3μπι，纯度99% ;低密度聚乙烯的软化点80°C。
[0037]步骤2)中所述的碳化硅粉III平均粒径为10 μ m,纯度99 % ;碳化硅粉VI平均粒径为Ιμπι，纯度大于99% ;纤维素醚为羟乙基纤维素醚，分子量为20000。
[0038]图1为本发明制备出材料的微观照片，如图1所示，通过本发明介绍的方法，制备出了一种纯碳化硅多孔陶瓷膜。
[0039]本发明得到抗弯强度40MPa，气孔率43%，1200°C?28°C热冲击循环58次、气体渗透系数2500m3/ (m2.h).(0.1MPa)、纯水通量1m3/ (m2h)、pH值耐受范围0-14的碳化硅陶瓷膜制品。
[0040]实施例2:
[0041]I)碳化硅素胚的成型
[0042]Al、原材料选取:碳化硅粉1、碳化硅粉I1、低密度聚乙烯、邻苯二甲酸二丁酯按质量比100:13:6:0.3选取备用；
[0043]B1、原材料混合:按比例选取的原材料在120°C的温度下混合形成均匀的混合物；
[0044]Cl、碳化硅素胚的成型:将步骤BI所得的混合物放入挤出成型机，成型为多通道管状素胚。
[0045]2)碳化硅膜层的涂覆
[0046]A2、碳化硅膜层浆液制备:水、碳化硅粉II1、碳化硅粉V1、纤维素醚按质量比100:35:4:0.3混合均匀，制得碳化硅膜层浆液；
[0047]B2、碳化硅膜层的涂覆:将膜层浆液注入按步骤I)制备的素胚的通道中，流动20s,制得碳化娃胚体。
[0048]3)纯碳化硅多孔陶瓷的烧结
[0049]A3、干燥:将步骤2)制备的碳化硅胚体置于110°C的烘箱中干燥3.6h ；
[0050]B3、烧结:将通过步骤A3干燥后的试件置于600°C的空气气氛炉中保温3h，再置于2100°C的真空炉内保温3h，最后随炉冷却至室温，制得纯碳化硅多孔陶瓷膜材料。[0051 ] 步骤I)中所述的碳化硅粉I平均粒径为80 μ m,纯度99 % ;碳化硅粉II平均粒径为4 μ m，纯度99% ;低密度聚乙烯的软化点85°C。
[0052]步骤2)中所述的碳化硅粉III平均粒径为15 μ m，纯度99 % ;碳化硅粉VI平均粒径为3 μ m,纯度99% ;纤维素醚为轻乙基纤维素醚,分子量为20000。
[0053]本发明得到抗弯强度43MPa，气孔率42%，1200°C?28°C热冲击循环61次、气体渗透系数2800m3/ (m2.h).(0.1MPa)、纯水通量Ilm3/ (m2h)、pH值耐受范围0-14的碳化硅陶瓷膜制品。
[0054]实施例3:
[0055]I)碳化硅素胚的成型
[0056]Al、原材料选取:碳化硅粉1、碳化硅粉I1、低密度聚乙烯、邻苯二甲酸二丁酯按质量比100:15:8:0.4选取备用；
[0057]B1、原材料混合:按比例选取的原材料在120°C的温度下混合形成均匀的混合物；
[0058]Cl、碳化硅素胚的成型:将步骤BI所得的混合物放入挤出成型机，成型为多通道管状素胚。
[0059]2)碳化硅膜层的涂覆
[0060]A2、碳化硅膜层浆液制备:水、碳化硅粉II1、碳化硅粉V1、纤维素醚按质量比100:40:5:0.4混合均匀，制得碳化硅膜层浆液；
[0061]B2、碳化硅膜层的涂覆:将膜层浆液注入按步骤I)制备的素胚的通道中，流动25s,制得碳化娃胚体。
[0062]3)纯碳化硅多孔陶瓷的烧结
[0063]A3、干燥:将步骤2)制备的碳化硅胚体置于120°C的烘箱中干燥4h ；
[0064]B3、烧结:将通过步骤A3干燥后的试件置于650°C的空气气氛炉中保温2h，再置于2200°C的真空炉内保温lh，最后随炉冷却至室温，制得纯碳化硅多孔陶瓷膜材料。
[0065]步骤I)中所述的碳化硅粉I平均粒径为90 μ m,纯度99 % ;碳化硅粉II平均粒径为5μπι，纯度99% ;低密度聚乙烯的软化点，90°C。
[0066]步骤2)中所述的碳化硅粉III平均粒径为20 μ m,纯度99 % ;碳化硅粉VI平均粒径为4μ m,纯度99% ;纤维素醚为轻甲基纤维素醚,分子量为20000。
[0067]本发明得到抗弯强度41MPa，气孔率42%，1200°C?28°C热冲击循环60次、气体渗透系数2700m3/ (m2.h).(0.1MPa)、纯水通量9m3/ (m2h)、pH值耐受范围0_14的碳化硅陶瓷膜制品。
【权利要求】
1.一种纯碳化硅多孔陶瓷膜的制备方法，包括有以下步骤: 1)碳化硅素胚的成型 Al、原材料选取:碳化硅粉1、碳化硅粉I1、低密度聚乙烯、邻苯二甲酸二丁酯按质量比100:10-15:4-8:0.1-0.4 选取备用； B1、原材料混合:按比例选取的原材料在120°C的温度下混合形成均匀的混合物； Cl、碳化硅素胚的成型:将步骤BI所得的混合物放入挤出成型机，成型为多通道管状素胚； 2)碳化硅膜层的涂覆 A2、碳化硅膜层浆液制备:水、碳化硅粉II1、碳化硅粉V1、纤维素醚按质量比100:30-40:3-5:0.08-0.4混合均匀，制得碳化硅膜层浆液； B2、碳化硅膜层的涂覆:将膜层浆液注入按步骤I)制备的多通道管状素胚的通道中，流动15-25s，制得碳化硅胚体； 3)纯碳化硅多孔陶瓷的烧结 A3、干燥:将步骤2)制备的碳化硅胚体置于烘箱中干燥； B3、烧结:将通过步骤A3干燥后的试件置于空气气氛炉中保温，再置于真空炉内保温，最后随炉冷却至室温，制得纯碳化硅多孔陶瓷膜材料。
2.根据权利要求1所述的一种纯碳化硅多孔陶瓷膜的制备方法，其特征在于步骤3)所述的干燥温度为105-120°C，干燥时间3-4h。
3.根据权利要求1所述的一种纯碳化硅多孔陶瓷膜的制备方法，其特征在于空气气氛炉中保温温度为550-650°C，保温时间为2-5h ;真空炉内保温温度为2000-2200°C，保温时间为l_5h。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种纯碳化硅多孔陶瓷膜的制备方法，其特征在于步骤I)中所述的碳化硅粉I平均粒径为70-90 μ m,纯度大于98 % ;碳化硅粉II平均粒径为3-5 μ m，纯度大于98% ;低密度聚乙烯的软化点80-90°C。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种纯碳化硅多孔陶瓷膜的制备方法，其特征在于步骤2)中所述的碳化硅粉III平均粒径为10-20 μ m,纯度大于98%;碳化硅粉VI平均粒径为1-4 μ m，纯度大于98% ;纤维素醚为羟甲基纤维素醚或羟乙基纤维素醚，分子量为20000。
【文档编号】C04B35/622GK104261867SQ201410489556
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月23日 优先权日:2014年9月23日
【发明者】徐慢, 石和彬, 沈凡, 季家友, 曹宏, 陈常连, 薛俊, 王树林, 安子博, 吴庭, 赵静, 祝云, 王亮 申请人:武汉工程大学