粉末烧结金属多孔体、过滤元件及改善其渗透性的方法
【专利摘要】粉末烧结金属多孔体、过滤元件及改善其渗透性的方法。本发明公开了一种综合性能较好，尤其对氢氟酸具有良好的耐腐蚀性的粉末烧结金属多孔体及应用它的过滤元件。本发明的粉末烧结金属多孔体，其孔隙率为25～60%，平均孔径为0.5～50μm，且该粉末烧结金属多孔体由占该粉末烧结金属多孔体23～40%重量的Cu、0～5%重量的Si以及余下重量的Ni构成，在质量分数为5%的氢氟酸溶液中室温浸泡20天后的失重率为1%以下。本发明的粉末烧结金属多孔体具有良好的机械性能和可加工性能；在酸性介质尤其是氢氟酸介质中具有优异的耐腐蚀性；尤其令人惊讶的是，当Cu、Ni分别通过掺入原料粉中的Cu元素粉和Ni元素粉引入到该粉末烧结金属多孔体中时，粉末烧结金属多孔体具有显著提高的渗透性能和反冲再生能力。
【专利说明】粉末烧结金属多孔体、过滤元件及改善其渗透性的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种粉末烧结金属多孔体、应用该粉末烧结金属多孔体的过滤元件以 及改善粉末烧结金属多孔体渗透性的方法。
【背景技术】
[0002] 在无机膜分离领域，粉末烧结金属多孔材料是一种主要的过滤材料。通常来讲，孔 结构和化学稳定性是这类材料最为重要的技术指标。其中，孔结构是影响材料过滤精度、渗 透性能和反冲再生能力的关键因素，它由粉末烧结金属多孔材料制备中的成孔方式决定； 化学稳定性则是影响材料在特定体系下耐腐蚀性等的关键因素，它由物质本身的化学特性 决定。
[0003] 目前，已应用在粉末烧结金属多孔材料制备中的成孔方式主要有：第一，通过化学 反应成孔，其原理是基于不同元素本征扩散系数的较大差异所引起的偏扩散效应，使得材 料中产生Kirkendall孔隙；第二，通过原料粒子物理堆积成孔；第三，通过添加成分脱出成 孔。基于上述不同成孔方式所生成的烧结多孔材料往往具有差异化的孔结构。
[0004] 随着膜分离技术的发展，对粉末烧结金属多孔材料的性能也提出了越来越高的要 求。开发具有优异的孔结构和化学稳定性的粉末烧结金属多孔材料已成为现实需要。为 了开发这种具有优异孔结构和化学稳定性的粉末烧结金属多孔材料，既要求寻找到理想的 合金成分，又要探索与之相应的成孔方式。本发明即在这样的技术背景下，提出以下发明创 造。
【发明内容】
[0005] 首先，本发明所要解决的技术问题是提供一种综合性能较好，尤其对氢氟酸具有 良好的耐腐蚀性的粉末烧结金属多孔体及应用它的过滤元件。
[0006] 本发明的粉末烧结金属多孔体，其孔隙率为25?60%，平均孔径为0. 5?50 μ m， 且该粉末烧结金属多孔体由占该粉末烧结金属多孔体23?40%重量的Cu、0?5%重量的 Si以及余下重量的Ni构成,在质量分数为5%的氢氟酸溶液中室温浸泡20天后的失重率为 1%以下。
[0007] 上述粉末烧结金属多孔体可以仅由Cu、Ni两种元素构成，此时，该粉末烧结金属 多孔体的物相为（Cu, Ni)固溶体。
[0008] 上述粉末烧结金属多孔体也可以由Cu、Si、Ni三种元素构成，此时，Si在该粉末 烧结金属多孔体中的重量百分含量应不超过5%。其中Si的重量百分含量可进一步优选为 0. 5 ?4%。
[0009] 在粉末烧结金属多孔体中添加 Si,可以提高粉末烧结金属多孔体的抗腐蚀性能， 尤其是在氧化性介质体系中的抗腐蚀性能。若Si超过5%，会增大材料的烧结难度。
[0010] 本发明中的术语"粉末烧结金属多孔体"是指将原料粉先后经过成型、烧结从而制 备得的金属多孔体。上述粉末烧结金属多孔体中，Cu、Ni既可以通过掺入原料粉中的Cu元 素粉和Ni元素粉而引入该粉末烧结金属多孔体，也可以通过原料粉中的Cu-Ni合金粉而引 入粉末烧结金属多孔体。
[0011] 然而，本发明强烈建议采用Cu元素粉和Ni元素粉的方式。通过试验令人惊异的 发现，当采用Cu元素粉和Ni元素粉时，烧结时Cu、Ni之间因相互扩散导致所得粉末烧结金 属多孔体的曲折因子达到1. 02?1. 25。而采用Cu-Ni合金粉时，所得粉末烧结金属多孔体 的曲折因子仅为1.6以上。
[0012] "曲折因子"是除孔隙率、平均孔径外，反映材料孔结构的又一重要的结构参数，其 是用流体流过多孔体的最短距离与多孔体厚度的比值来定义，表征了多孔体中三维连通孔 隙的弯曲程度。曲折因子越接近1，说明流体流过多孔体的最短距离越小，渗透速度越快。 因此，在接近的孔隙率和平均孔径的条件下，采用Cu元素粉和Ni元素粉的方式得到的粉末 烧结金属多孔体具有显著提高的渗透性能和反冲再生能力。
[0013] 显然，鉴于上面已经揭示出Cu元素粉、Ni元素粉与曲折因子之间的关联，因此，本 发明还将附带提供一种改善粉末烧结金属多孔体渗透性的方法：所述粉末烧结金属多孔体 的孔隙率为25?60%，平均孔径为0. 5?50 μ m，并由23?40%重量的Cu、0?5%重量的 Si以及余下重量的Ni构成；其中，Cu、Ni分别通过掺入原料粉中的Cu元素粉和Ni元素粉 而引入到该粉末烧结金属多孔体中，所述的原料粉先后经过成型、烧结从而制备得到粉末 烧结金属多孔体，烧结时，Cu、Ni之间相互扩散导致粉末烧结金属多孔体的曲折因子达到 1. 02 ?1. 25。
[0014] 本发明所提供的的过滤元件为一种含有上述的粉末烧结金属多孔体的过滤元件。 "含有上述的粉末烧结金属多孔体"具体是指，该过滤元件可以由上述粉末烧结金属多孔体 所构成；或者，上述粉末烧结金属多孔体仅作为该过滤元件的支撑层，该支撑层的表面还附 着有用于过滤的工作层等情况。
[0015] 当支撑层的表面附着工作层时，该工作层最好为镍多孔膜、镍基合金多孔膜中的 一种，这样，由于工作层和支撑层均为镍基金属材料，两者结合性很好，不会因为反复反冲 再生等原因而发生脱离，可保持过滤元件长久的使用寿命。所说的"镍基合金多孔膜"，包括 与本发明粉末烧结金属多孔体化学成分相同的多孔膜。
[0016] 本发明粉末烧结金属多孔体的一种具体制备方法的步骤包括：1)制备混合粉料： 将粒径为-250?+400目的Cu元素粉、粒径为-200?+300目的Ni元素粉按制备得到的 粉末烧结金属多孔体中Cu的重量百分含量为23?40%，其余为Ni的配比进行混合；2)造 粒、干燥和成型：将含有上述Cu元素粉、Ni元素粉混合粉料依次进行造粒、干燥，将干燥温 度设定为40?60°C，干燥时间设定为4?8小时，然后进行冷压成型，在80?200MPa成型 压力下保压20?80秒，冷压成型后得到压坯；3)烧结：将压坯置于烧结炉中进行烧结，烧 结制度包含以下三个阶段：第一阶段：烧结温度从室温升至400?450°C，升温速率控制在 5?KTC /min，并在400?450°C下保温120?240分钟；第二阶段：将烧结温度升至750? 850°C，升温速率控制在5?KTC/min，并在750?850°C下保温90?180分钟；第三阶段： 将烧结温度升至1000?1200°C，升温速率控制在3?5°C /min，并在1000?1200°C下保 温180?300分钟；烧结后随炉冷却即得到粉末烧结金属多孔体，该粉末烧结金属多孔体由 Cu、Ni元素构成，其曲折因子达到1. 02?1. 25。
[0017] 本发明粉末烧结金属多孔体的又一种具体制备方法的步骤包括：1)制备混合粉 料：将粒径为-250?+400目的Cu元素粉、粒径为3?10 μ m的Si元素粉、粒径为-200? +300目的Ni元素粉按制备得到的粉末烧结金属多孔体中Cu的重量百分含量为23?40%， Si的重量百分含量为0. 5?4%，其余为Ni的配比进行混合；2)造粒、干燥和成型：将含有上 述Cu元素粉、Si元素粉和Ni元素粉混合粉料依次进行造粒、干燥，将干燥温度设定为40? 60°C，干燥时间设定为4?8小时，然后进行压力成型，在100?200MPa成型压力下保压 20?80秒，压力成型后得到压坯；3)烧结：将压坯置于烧结炉中进行烧结，烧结制度包含以 下三个阶段：第一阶段：烧结温度从室温升至400?450°C，升温速率控制在5?KTC/min， 并在400?450°C下保温120?180分钟；第二阶段：将烧结温度升至750?850°C，升温速 率控制在5?KTC /min，并在750?850°C下保温120?240分钟；第三阶段：将烧结温度 升至1000?1200°C，升温速率控制在3?5°C /min，并在1000?1200°C下保温180?300 分钟；烧结后随炉冷却即得到粉末烧结金属多孔体，该粉末烧结金属多孔体由Cu、Si、Ni元 素构成，其曲折因子达到1. 02?1. 25。
[0018] 本发明的粉末烧结金属多孔体具有如下有益的技术效果：
[0019] 一、具有良好的机械性能和可加工性能，抗拉强度可达到SOMPa以上；
[0020] 二、在酸性介质尤其是氢氟酸介质中具有优异的耐腐蚀性，并且对热浓碱液也有 优良的耐腐蚀性，同时还耐中性溶液、氟气、水、海水、大气、有机化合物等的腐蚀；
[0021] 三、尤其令人惊讶的是，当Cu、Ni分别通过掺入原料粉中的Cu元素粉和Ni元素粉 引入到该粉末烧结金属多孔体中时，粉末烧结金属多孔体具有显著提高的渗透性能和反冲 再生能力。
【具体实施方式】
[0022] 下面通过试验对粉末烧结金属多孔体的制备方法和由这些方法得到的粉末烧结 金属多孔体进行具体说明。通过这些说明，本领域技术人员能够清楚认识到本发明的粉末 烧结金属多孔体所具有的突出特点。以下涉及的试验例的编号与对应"压坯"、"试样"的编 号一至文。
[0023] 一、材料制备工艺
[0024] 如表1所示，为说明本发明的粉末烧结金属多孔体及其制备，共准备了以下两类 试验，即"A类试验"和"B类试验"。A类试验又分为三组试验，目卩"ΑΓ'、"Α2"和"A3"，B类 试验也分为三组试验，即"Β1"、"Β2"和"Β3"。试验Al和试验Bl的原料中Cu、Ni比例相同， 区别为试验Al采用Cu元素粉和Ni元素粉，而试验Bl采用Cu-Ni合金粉；试验A2和试验 B2的原料中Cu、Ni、Si比例相同，区别为试验A2采用Cu元素粉、Si元素粉和Ni元素粉， 而试验B2采用Cu-Ni合金粉和Si元素粉；同理，试验A3和试验B3的原料中Cu、Ni比例相 同，区别为试验A3采用Cu元素粉和Ni元素粉，而试验B3采用Cu-Ni合金粉。为了准确的 体现A类试验所得粉末烧结金属多孔体的曲折因子的值，试验Al包含了三个平行试验，即 "八1-1"、11-2"、11-3"，试验41的曲折因子将取试样41-1^1-2、41-3的平均值 ；试验八2 包含了三个平行试验，即12-1"、12-2"、12-3"，试验42的曲折因子将取试样八2-142-2、 A2-3的平均值；同理，试验A3包含了三个平行试验，ΒΓΑ3-1"、"Α3-2"、"Α3-3"。表1中所 使用的Cu元素粉的粒径均为-250?+400目，Ni元素粉的粒径均为-200?+300目，Si元 素粉的粒径均为3?10 μ m，Cu-Ni合金粉的粒径均为-200?+300目。
[0025] 表I :试验所用原料的成分及含量
[0026]
【权利要求】
1. 粉末烧结金属多孔体，孔隙率为25?60%，平均孔径为0. 5?50 ii m，其特征在于： 它由23?40%重量的Cu、0?5%重量的Si以及余下重量的Ni构成，在质量分数为5%的 氢氟酸溶液中室温浸泡20天后的失重率为1%以下。
2. 如权利要求1所述的粉末烧结金属多孔体，其特征在于：该粉末烧结金属多孔体由 Cu、Ni元素构成，其结晶相为（Cu，Ni)固溶体。
3. 如权利要求1所述的粉末烧结金属多孔体，其特征在于：该粉末烧结金属多孔体含 有0.5?4%重量的Si。
4. 如权利要求1、2或3所述的粉末烧结金属多孔体，其特征在于：该粉末烧结金属多 孔体的曲折因子达到1. 02?1. 25。
5. 如权利要求4所述的粉末烧结金属多孔体，其特征在于：该粉末烧结金属多孔体的 曲折因子达到1. 10以下。
6. 如权利要求1、2或3所述的粉末烧结金属多孔体，其特征在于：该粉末烧结金属多 孔体的平均孔径为1?20 ii m。
7. -种过滤元件，其特征在于：该过滤元件含有权利要求1至6中任意一项权利要求 所述的粉末烧结金属多孔体。
8. 如权利要求7所述的过滤元件，其特征在于：所述粉末烧结金属多孔体作为该过滤 元件的支撑层，该支撑层的表面附着有用于过滤的工作层。
9. 如权利要求8所述的过滤元件，其特征在于：所述工作层为镍多孔膜、镍基合金多孔 膜中的一种。
10. 改善粉末烧结金属多孔体渗透性的方法，所述粉末烧结金属多孔体的孔隙率为 25?60%，平均孔径为0. 5?50 ii m，并由23?40%重量的Cu、0?5%重量的Si以及余下 重量的Ni构成；其中 Cu、Ni分别通过掺入原料粉中的Cu元素粉和Ni元素粉而引入到该粉末烧结金属多 孔体中，所述的原料粉先后经过成型、烧结从而制备得到所述的粉末烧结金属多孔体，烧结 时，Cu、Ni之间相互扩散导致粉末烧结金属多孔体的曲折因子达到1. 02?1. 25。
【文档编号】C22C1/08GK104419848SQ201310389695
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年8月30日 优先权日:2013年8月30日
【发明者】高麟, 汪涛, 李波 申请人:成都易态科技有限公司