[發明專利]一種纖維增強平板狀炭膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201310227547.0
• 申請日: 2013-06-07
• 公開（公告）號: CN103272490A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發明（設計）人: 王同華;宋成文;李琳;姜士敏;隋景杰
• 申請（專利權）人: 大連理工大學;大連海事大學;大連卡瑞博納科技有限公司
• 主分類號: B01D71/02
• 分類號: B01D71/02;B01D69/06;B01D67/00
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 賈漢生;李馨

技術領域

本發明屬于膜分離技術領域，尤其涉及一種纖維增強平板狀炭膜及其制備方法。

背景技術

炭膜是一種新型的炭基膜分離材料，它把炭材料優異結構特性（豐富的孔結構、均一的孔徑分布）與膜材料的優勢（高效、節能）有機融合為一體，在氣體分離、液體分離等方面展現出良好的應用前景。炭膜通常是由含碳物質在真空或者惰性氣體保護下，經過高溫熱解制備而成的。根據結構的不同,炭膜可分為均質炭膜和復合炭膜，均質炭膜又可分為平板狀炭膜、管狀炭膜、中空纖維炭膜和毛細管炭膜。

目前所報道的均質炭膜中平板和管狀炭膜的制備方法主要采用濕法擠壓成型后炭化制備而成（例如：CN1490076A、CN102527257A、CN101733001A、CN01147847A、CN1415406A和CN1569316A）。在成型制膜過程中，此法需要引入溶劑（如有機溶劑或水）和粘結劑，經混合、煉制、陳化和成型等工藝制備原膜，然后原膜需要經長時間室溫干燥后，才能進行炭化制備成炭膜。因此，采用此法制備炭膜，不僅需要花費很長的干燥時間，同時在干燥過程要精心控制環境溫度和濕度防止出現原膜彎曲或裂縫的產生，增加了制備工藝過程的復雜性和控制難度，提高了生產成本。此外，由于炭膜的炭骨架結構主要由未分解的粘結劑在高溫下以碳的形式與煤粉顆粒經過一定的縮聚反應相互融合構成，其強度通常不是很高，而在實際應用過程中，如膜組件組裝和料液的分離過程中，都要承受一定的外力作用，并要抵抗料液的循環沖擊和沖刷，因此，按照此法制備的炭膜在機械強度上還不能滿足大規模商業化的要求。

纖維增強平板狀炭膜在保證炭膜原有良好加工性能和孔結構性能的基礎上，通過添加高強度的纖維材料來大幅度增強現有炭膜的機械強度，使其能滿足多種場合的應用。因此，開發新型纖維增強平板狀炭膜，將進一步拓展現有炭膜的應用領域，加快炭膜的產業化進程。

發明內容

本發明旨在提供一種制備工藝簡單、成本低廉、耐腐蝕的高強度平板狀炭膜及其制備方法，以解決和彌補現有炭膜材料制備過程中需要精心控制、生產周期長、強度很難滿足工業生產要求等不足。

本發明的纖維增強平板狀炭膜由炭基體和充滿炭基體的纖維增強材料構成，其特征在于，炭基體為連續相，具有發達的孔隙結構；纖維增強材料為分散相，與炭基體融為一體。本發明的纖維增強平板狀炭膜的抗壓強度優選為65-140kg/cm²，孔隙結構的平均孔徑優選為0.14–0.60μm，孔隙率優選為30-50%。

本發明用于制備上述纖維增強平板狀炭膜的方法包括以下工藝步驟：以含碳物質為平板狀炭膜的前驅體材料，將其粉碎后與添加劑混合配料，經球磨、篩分后放入內側涂有脫模劑的模具內，同時將纖維增強材料加入物料中，經成型、啟膜、干燥和炭化步驟得到纖維增強平板狀炭膜。

含碳物質通常為不同變質程度的煤，如無煙煤、焦煤、氣煤、肥煤、瘦煤、煙煤、褐煤、植物基炭、樹脂基炭、石油焦、中間相炭微球、酚醛樹脂等，可以使用其中的一種或多種的混合物。此外，含碳物質優選粉碎至200-500μm。

添加劑一般選用羧甲基纖維素、淀粉、酚醛樹脂、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚乙烯醇縮丁醛、聚苯乙烯中的一種或多種的混合物，其加入量一般為前驅體材料與添加劑總質量的5%-40%。

球磨是指將混料放入球磨機中進行研磨處理，處理時間一般控制在0.5-4h。

篩分是指用篩網將大顆粒物料篩分去除，控制物料粒度在5-50μm。

脫模劑一般選用油酸、硅油、甲基硅油、石蠟、甘油、凡士林中的一種或多種的混合物。

纖維增強材料可以使用陶瓷纖維網、短切陶瓷纖維、碳化硅纖維網、硼纖維網、Al₂O₃纖維網、碳纖維網、短切炭纖維、不銹鋼絲網、鎳網中的一種或多種的混合物，纖維增強材料的用量一般為前驅體材料質量的3-10%。

成型條件優選如下：成型壓力控制在60-200MPa，保壓時間控制在10-20min。

啟膜是指打開模具將膜取出，此時最好將壓好的板式炭膜用平板夾具夾住，以防止平板膜結構變形。

將制備完畢的平板膜進行干燥處理，干燥溫度通常控制在室溫到100℃之間，干燥時間一般為1-12h。