[发明专利]陶瓷材料

说明书

技术领域

本发明涉及用于形成多孔陶瓷材料的方法以及涉及上述材料用于过滤，尤其是水的过滤的用途。具体地，本发明涉及用于受控加热前体以在陶瓷材料内形成特别适合的孔的方法。

背景技术

陶瓷膜被广泛用于微量过滤(微滤，microfiltration)和超滤。这是由于它们具有超过聚合物对应物的许多优点。上述优点包括在长期使用期间更大的机械强度和结构刚度、更大的耐腐蚀性和耐热性、稳定操作特性，以及通过煅烧或通过水或适当溶剂的反向流来多次再生的可能性。这意味着，可以在较宽pH值范围内、在高温和高压下、以及在腐蚀性介质中操作陶瓷膜。另一方面，这些膜可以是脆性的并且也是昂贵的，这是由于它们的制造所使用的高能耗技术。

对于过滤系统，如对于水的过滤，其中高强度材料允许使用高压过滤，陶瓷膜是令人感兴趣的。这样的过滤器的实施例讨论于US2006/0175256。

通常通过两个因素，选择性和渗透性，来评估过滤膜的分离性能。在多孔陶瓷过滤器中，通过在形成膜以后由在填充颗粒之间的空隙形成的膜孔径来确定选择性。渗透性是孔径、孔径分布和孔隙率的函数。为了达到所期望的孔径和高渗透性，可以采用多层膜结构，其中将一层或多层的精细颗粒逐步涂布或沉积在由较大颗粒制成的另一基质层上，从而形成梯度孔结构。

如在“A morphological study of hollow fiber membranes”,Kingsbury et al.,Journal of Membrane Science 328(2009)134-140中讨论的，可以通过相转化(逆相，phase inversion)的方法来制备陶瓷中空纤维膜。这样的膜具有良好的多孔结构并且非常适合在高温和高压下以及在腐蚀性环境中使用。然而，已发现，这些方法不一定提供用于所有所期望的应用的足够高渗透性。

因此，期望提供改善的多孔陶瓷材料和/或解决与现有技术相关联的至少一些问题，或至少提供商业上有用的对其的替代方式。本发明的一个目的是提供陶瓷材料，该材料适合用作过滤器，相比于其它这样的过滤器，其具有增加的渗透性。

发明内容

在第一方面，本公开内容提供了用于形成多孔陶瓷材料的方法，该方法包括以下步骤：

提供聚合物涂布陶瓷颗粒在第一溶剂中的悬浮液；

使悬浮液接触第二溶剂，从而陶瓷材料前体由聚合物和陶瓷颗粒形成，

加热陶瓷材料前体以将在前体内的聚合物至少部分分解成固体沉积物，以及

然后优选在惰性气氛下，烧结陶瓷材料前体，以形成多孔陶瓷材料。

现在将进一步描述本发明。在以下段落中，更详细地定义本发明的不同方面。除非明确有相反的指示，否则如此定义的每个方面可以与任何其它一个或多个方面结合。尤其是，表示为优选的或有利的任何特征可以与表示为优选的或有利的任何其它一个或多个特征结合。

“陶瓷材料”是指金属和非金属的任何无机晶体或非晶(无定形，amorphous)材料化合物。陶瓷材料包括，例如，Al₂O₃、SiO₂、ZrO、CeO₂和TiO₂。优选的是，陶瓷材料包括金属氧化物。

“多孔”陶瓷材料是指，陶瓷材料具有包含多个孔的结构。当然，这些孔可以填充有非陶瓷材料。优选地，孔是未填充的并在材料内形成连接孔隙率以用作用于待过滤材料的流动路径。上述多孔材料的实例在本领域中是众所周知的并且流动路径或通道非常适合用于过滤待过滤的介质。

“含氧气氛”是指以下气氛，其包含至少一些O₂气体，包括，例如，空气或纯氧气流。通过使用固定空气体积或选定的流率，可以控制和监测在气氛中存在的氧气水平。

在本文描述的方法的第一步骤中，提供了聚合物涂布陶瓷颗粒在第一溶剂中的悬浮液。优选地，陶瓷颗粒包括一种或多种金属氧化物，优先选自Al₂O₃、ZrO、SiO₂、CeO₂、TiO₂以及它们的两种或更多种的混合物。氧化铝是特别优选的。可以基于材料的所期望的最终用途来确定陶瓷颗粒的选择。例如，TiO₂具有抗菌性能，而Al₂O₃和SiO₂则是相对便宜和耐用的，从而使它们适用于大量应用。