[發明專利]一種多層鈦鎳合金過濾膜的制備方法

在審

• 申請號: 201710137788.4
• 申請日: 2017-03-09
• 公開（公告）號: CN107020021A
• 公開（公告）日: 2017-08-08
• 發明（設計）人: 喻林萍;喬越;康建剛;南博;王娜娜;喻強
• 申請（專利權）人: 長沙理工大學
• 主分類號: B01D71/02
• 分類號: B01D71/02;B01D67/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域：

本發明涉及一種金屬過濾介質,尤其是涉及一種納米級多孔金屬過濾介質及其制備方法。本發明制備簡單，工藝參數容易控制，其產品結構和性質非常適用于用作空氣凈化元件或口罩濾心，用于有效隔離PM2.5，所得產品生物相容性好，且可進行再生清潔，可塑性強，輕盈柔軟，而且不易損壞，持久耐用，可任意彎曲，可調整性強，用作口罩濾芯能更好的貼合臉型結構。

背景技術：

目前，我國目前多數使用的是以玻璃纖維或熔噴纖維無紡布為濾芯的空氣過濾器，但由于其纖維間的孔隙較大，通常在5～25μm，難以實現對PM2.5污染物的高效過濾，且使用過程中微小顆粒會進入纖維膜內部而堵塞氣流路徑，導致空氣阻力升高，因而抗污能力弱、使用周期短、易造成二次污染等。采用高效低阻過濾材料制成過濾器加強對環境空氣中顆粒物的阻擋，是解決這個問題的有效途徑。

鈦鎳形狀記憶合金是一種強度高、耐腐蝕、生物相容性好、醫用前景廣泛的功能性材料。它在低溫相變形后，只需提高溫度(20～300℃)就能恢復母相所記憶的形狀，其伸縮率大于20％，疲勞壽命逾百次，阻尼特性比普通的彈簧高10倍，在生物工程、航天等領域內應用廣泛。作為多孔TiNi合金的制備方法,粉末冶金法在合成多孔合金的同時,還能得到形狀復雜且用傳統方法加工困難的組件,減少加工工序,能一次性獲得目標形狀的產品。但是,Ti、Ni化合時放出的熱量會使壓坯局部溫度升高而在壓坯中產生液相,容易導致合金的致密化,因此要求燒結時升溫速度十分緩慢,由此使得粉末燒結法很難得到高孔隙度、較大尺寸的多孔鈦鎳合金。

本發明采用模板法結合粉末冶金法，采用羰基Ni粉,及氫化鈦粉制備鈦鎳合金多孔過濾膜，羰基Ni粉可進一步提高合金的強度和記憶性能，通過添加TiH₂可提高合金中的孔隙分布均勻性,減小燒結過程中生坯尺寸變化出現的各向異性,改善合金的記憶性能,以聚乙烯醇縮丁醛液為模板劑，將羰基Ni粉及氫化鈦混合粉形成預制膜，真空燒結下模板劑在中溫段分解，產物以氣態形式逸出，這樣可避免原始粉末密集分布而導致散熱不均。預制膜在持續控溫燒結下形成鈦鎳合金多孔過濾膜，所得膜材料開孔隙率范圍在60％～80％(體積分數),孔隙小于5μm。

發明內容：

本發明涉及一種多孔金屬過濾膜及其制備方法，為多層鈦鎳合金薄膜組合結構，單層厚度10～30μm，層數可根據氣體滲透系數調節。該方法制得的過濾膜厚度可在0.05～0.2mm內調節，與現有技術相比，該濾膜強度高，柔韌性極好，多維孔道結構下滲透系數高，平均孔徑100～500nm，其特殊的NiTi合金多孔骨架彈性好，遇外力扭轉可自動恢復。其產品結構和性質非常適用于用作空氣凈化元件或口罩濾心，用于有效隔離PM2.5，所得產品生物相容性好，且可進行再生清潔，可塑性強，輕盈柔軟，持久耐用。本發明采用模板法結合粉末冶金法，采用羰基Ni粉,及氫化鈦粉制備鈦鎳合金多孔過濾膜，與現有技術相比，本發明方法制備過程簡單，工藝參數容易控制，適宜于大規模生產。

本發明所包含的技術方案包括以下幾個步驟：

1.鈦鎳合金預制膜漿料的制備：

在氮氣氛下，將高純羰基鎳粉(中位徑5～8μm)及超細氫化鈦粉(中位徑5～10μm)按比例混合。將混合粉按質量比(10～30wt.％)以聚乙烯醇縮丁醛液(溶劑為乙醇)配合成成膜漿料。

2.鈦鎳合金預制膜覆膜過程：

設計生膜厚度及面積，取成膜漿料用成膜器在石英平板表面覆膜，在氮氣氛下靜置干燥，形成單層鈦鎳合金預制膜；根據滲透系數需要，可待上層預制膜干燥后繼續進行第二層或多層覆膜過程。

3.真空燒結制備多層鈦鎳合金過濾膜：

在真空環境下，將鈦鎳合金預制膜置于燒結爐中控溫燒結，為了控制成品中TiNi相的比例，高溫至930℃，得到多層鈦鎳合金過濾膜。

與現有技術相比，本發明采用粉末冶金法，通過覆膜原料比，及燒結技術參數的精確控制，制備多層鈦鎳合金過濾膜，本發明通過設計元素粉擴散及燒結相變過程，可控制成品中具有形狀恢復功能的馬氏體含量，以及孔隙及孔道結構分布。本發明還具有以下優勢：1.濾膜強度高，柔韌性極好，多維孔道結構下滲透系數高。2.制備過程可控，利用了粉末冶金法兼模板法近凈成形的優勢，值得工業化推廣；3.工藝簡易，成本低。

附圖說明

圖1為本發明多層鈦鎳合金過濾膜結構示意圖。

實施例

在氮氣保護下，將高純羰基鎳粉(中位徑6.7μm)及超細氫化鈦粉(中位徑5.2μm)按質量比55：45在V型混料器下混合12小時；取分子量為32000的聚乙烯醇縮丁醛8.0g，以無水乙醇80mL在40℃下超聲溶解，磁力攪拌35min；取混合粉20g，按質量比(14.8wt.％)以聚乙烯醇縮丁醛液配合成成膜漿料，在磁力攪拌80min。取膜漿料6g，調節成膜器壓力為0.8kPa，在石英平板表面均勻覆膜，膜表面無氣泡后轉移至氮氣氛中，40℃靜置干燥4.5小時，形成單層鈦鎳合金預制膜；以硬脂酸鋅間隔，繼續進行第二層及第三層覆膜過程。等上層生膜干燥后，控制速度脫膜，置入真空燒結爐中進行燒結合金化。升溫速度控制為4℃/min，在180℃時保溫50min脫除體系吸附水，在500℃時保溫60min，750℃時保溫180min，860℃保溫120min，930℃保溫120min，得到多層鈦鎳合金過濾膜。由X射線衍射測試分析，合金過濾膜由TiNi,Ti₂Ni,TiNi₃三相組成；開孔隙率65％；經測試，此三層復式過濾膜N₂滲透通量為1280m³·kPa^-1·h^-1，平均孔徑1.4μm；在PM2.5濃度為250～320μg/m³環境中模擬呼吸測試至N₂滲透通量為680m³·kPa^-1·h^-1，此時顆粒物聚積濾膜，經超聲波清潔再生，顆粒物順利從濾膜內脫除，測得濾膜透氣性能沒有明顯變化，可重復使用。