[發(fā)明專利]一種基于靜電誘導(dǎo)納米顆粒包覆制備多孔金屬擔(dān)載陶瓷膜的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410536593.3
• 申請日: 2014-10-11
• 公開（公告）號: CN104437112A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 范益群;林鈺青;周永欣
• 申請（專利權(quán)）人: 南京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: B01D71/02
• 分類號: B01D71/02;B01D67/00
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 鄧唯

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技術(shù)領(lǐng)域

????本發(fā)明涉及一種基于靜電誘導(dǎo)納米顆粒包覆制備多孔金屬擔(dān)載陶瓷膜的方法，屬于膜材料制備技術(shù)領(lǐng)域。

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背景技術(shù)

膜分離法是無相變分離過程，具有節(jié)能、高效、操作簡便、環(huán)境友好等特點，目前已在石油化工、生物醫(yī)藥和食品等領(lǐng)域的分離與純化過程中得到廣泛應(yīng)用。隨著膜技術(shù)領(lǐng)域的不斷拓展，對膜的性能提出了更高的要求。金屬陶瓷復(fù)合膜是一種以多孔金屬為載體，以無機陶瓷膜為活性分離層的新型復(fù)合膜材料，它既保留了金屬良好的焊接性能，使膜組件易于密封，同時又兼具陶瓷膜的高分離精度，具有廣闊的應(yīng)用前景。

多孔金屬擔(dān)載陶瓷膜在制備過程中需要經(jīng)過燒結(jié)來使得膜層達到合適的強度，但在熱處理過程中，由于金屬支撐體和陶瓷分離層間的熱膨脹系數(shù)不匹配極易導(dǎo)致膜層開裂。這是由于金屬載體會受熱膨脹并在高溫下迅速收縮收縮，由此產(chǎn)生巨大的拉伸/收縮應(yīng)力，陶瓷膜則會由于熱擴散的作用而燒結(jié)收縮并產(chǎn)生巨大的收縮應(yīng)力，由于熱處理過程中，拉伸應(yīng)力和收縮應(yīng)力的相互作用最終導(dǎo)致了膜層開裂。目前金屬擔(dān)載陶瓷微濾膜主要是由粒徑200nm～800nm的陶瓷顆粒作為制膜顆粒來制備，這么大的顆粒燒結(jié)活性較低，這就導(dǎo)致了金屬擔(dān)載陶瓷膜的燒結(jié)溫度較高，Van?Gestel等?(Solid?State?Ion.?179?(2008):?1360-1366.)所制備的TiO₂/不銹鋼膜的燒結(jié)溫度在950℃，Zhou等(J.?Membr.?Sci.?325(2008):?179-186.)所制備的TiO₂/Ti-Al膜的燒結(jié)溫度在1050℃，所制備的膜層表面均存在缺陷；并且研究表明，在大于950℃的燒結(jié)溫度時，對于多孔不銹鋼和多孔Ti-Al支撐體在空氣中已經(jīng)完全氧化并伴隨巨大的燒結(jié)膨脹，在氬氣或者還原性氣氛中熱收縮也很大。因此，亟需尋找合適的方法來克服熱處理過程中金屬支撐體和陶瓷分離層間熱膨脹系數(shù)的不匹配問題，并制備出完整的金屬陶瓷復(fù)合膜。

陶瓷納米顆粒具有較低的燒結(jié)活化能和較高的燒結(jié)活性，將其摻雜于大顆粒陶瓷材料中可以降低陶瓷材料的燒結(jié)溫度，促進大顆粒之間的頸部連接，這一技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于低成本陶瓷材料的制備。中國專利CN101391181A中提出了采用表面荷電效應(yīng)，用包覆型的粉體制備陶瓷膜支撐體。但是這種方法并不適合于金屬擔(dān)載的陶瓷膜材料的制備，因為該專利所述的2種不同荷電類型的分散劑的加入會影響陶瓷納米顆粒之間的靜電斥力并導(dǎo)致其團聚。盧軍等(改進浸漿法制備氧化鈦/多孔鈦復(fù)合微濾膜，膜科學(xué)與技術(shù),?2011,?31:?205-209)提出通過溶膠納米顆粒包覆的方法，在850℃條件燒結(jié)制備得到TiO₂/Ti復(fù)合膜。但是由于所采用的溶膠固含量較低(經(jīng)計算，文中所采用的溶膠固含量為0.75%)，對燒結(jié)的促進有限；并且實驗表明，在850℃燒結(jié)，多孔Ti在空氣中已經(jīng)被氧化并嚴(yán)重膨脹，支撐體膨脹系數(shù)(dL/Lo)相對于膜層的收縮系數(shù)達到了15倍；在氬氣中，多孔Ti支撐體的膨脹系數(shù)相對于膜層的收縮系數(shù)達到了10倍，根據(jù)電鏡照片顯示，膜層依舊存在裂紋和缺陷。所以，尋找更便捷的方法，實現(xiàn)燒結(jié)溫度的可控化調(diào)節(jié)，進一步降低燒結(jié)溫度對于制備完整的多孔金屬擔(dān)載陶瓷復(fù)合膜具有重要的實際意義。

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發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：金屬擔(dān)載陶瓷膜在制備過程中易出現(xiàn)由于金屬與陶瓷的熱膨脹系數(shù)不匹配極易導(dǎo)致膜層開裂，提出了一種基于靜電誘導(dǎo)納米顆粒包覆制備多孔金屬擔(dān)載陶瓷膜的方法。

該方法通過添加陽離子型分散劑和調(diào)節(jié)制膜液體系的pH值，可以使得陶瓷微米、亞微米顆粒和助燒結(jié)添加劑陶瓷納米顆粒之間荷相反電荷，并在靜電誘導(dǎo)作用下形成小顆粒包覆大顆粒的核殼結(jié)構(gòu)。通過利用小顆粒具有較低的燒結(jié)活化能和較高的燒結(jié)活性，使得陶瓷膜在較低的溫度下完成燒結(jié)，克服了傳統(tǒng)陶瓷/金屬復(fù)合膜制備過程中由于熱膨脹系數(shù)不匹配所導(dǎo)致開裂的問題，制備完整無缺陷的金屬擔(dān)載的陶瓷膜材料。

具體的技術(shù)方案：

一種基于靜電誘導(dǎo)納米顆粒包覆制備多孔金屬擔(dān)載陶瓷膜的方法，包括如下步驟：

第1步、將第一陶瓷顆粒、第二陶瓷顆粒分散于水中并攪拌均勻，所述的第二陶瓷顆粒的平均粒徑小于第一陶瓷顆粒的平均粒徑；然后加入陽離子型分散劑，攪拌均勻；再調(diào)節(jié)料液的pH，使第一陶瓷顆粒的表面帶有的電荷與第二陶瓷顆粒的表面電荷相反，得到陶瓷顆粒分散液；第2步、在陶瓷顆粒分散液中加入添加劑，得到制膜液；將制膜液涂覆于多孔金屬基底上，經(jīng)過干燥、燒結(jié)過程，得到金屬擔(dān)載的陶瓷膜。