[发明专利]一种孔径分布均匀的γ-Al2

说明书

本发明涉及一种孔径分布均匀的γ‑Al₂O₃陶瓷微滤膜及其制备方法，其特征在于以异丙醇铝为前驱体，在高温下水解形成勃姆石溶胶，添加占混合溶胶中勃姆石总量重量百分比15～40％的亲水性纳米级刚性聚合物微球作模板剂。混合均匀后的溶胶放入底部涂有固体石蜡的培养皿中，经室温干燥、冷冻干燥、高温煅烧后得到孔隙率高、孔径可调且孔径分布呈三维有序的γ‑Al₂O₃陶瓷微滤膜。

技术领域

本发明涉及γ-Al₂O₃陶瓷微滤膜及其制备方法，具体说是选用单分散的刚性聚合物微球作模板剂，采用溶胶-凝胶法制备孔径分布均匀、孔隙率高的γ-Al₂O₃陶瓷微滤膜，属于多孔陶瓷膜领域。

背景技术

陶瓷膜具有力学性能强、热稳定性高、抗污染性能优异等特点，因此能够被广泛应用于高温的环境条件下，其制备方法有固体粒子烧结法、薄膜沉淀法和溶胶-凝胶法等。固态粒子烧结法是将无机粉体微小颗粒或超细颗粒(粒度0.1～10μm)与适当的介质混合分散形成稳定的悬浮液，成型后制成生坯，再经干燥，然后在高温(1000～1600℃)下进行烧结处理，这种方法不仅可以制备微孔陶瓷膜或陶瓷支撑体，也可以用于微孔金属膜。薄膜沉淀法是指用溅射、离子镀、金属镀即气相沉积等方法将膜沉积在支撑体上制备薄膜的方法。溶胶-凝胶技术是一种由金属有机化合物、金属无机化合物或上述两者的混合物经过水解缩聚过程，逐渐凝胶化及相应的后处理，而获得氧化物或其它化合物的新工艺。溶胶-凝胶法具有以下优点：(1)工艺简单，设备要求低；(2)适合大面积制膜，且膜厚度可控制在微米级；(3)薄膜化学组成比较容易控制，能在分子水平上设计制备材料；(4)为顶层膜改性，引入催化剂提供更多方法。

陶瓷膜的渗透性主要由膜的孔隙率、连通度与孔形态等因素决定。目前，通常采用纤维搭建技术和造孔剂法来制备高渗透性陶瓷膜。纤维搭建技术采用纳米金属氧化物纤维作为原材料，在支撑体上无序排列纤维层，使其孔形态多样化，从而提高孔隙率。造孔剂法通过添加造孔剂来提高孔数量，从而提高孔隙率。模板剂法是一种特殊的造孔剂法，其造孔剂具有具体的尺寸和形状，可以达到孔隙有序化，也可以提高孔隙率。模板剂法采用粒径均一的造孔剂，能够有效控制材料的形貌、结构和大小，并制备出孔径均一、选择性高、孔隙率大的一系列纳滤、超滤和微滤多孔陶瓷膜。常用的模板剂主要有有机微球和表面活性剂两大类。 Sadakane等[J.Chem.Mater.，2007，19(23)：5779-5785]以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球为模板剂制备出具有三维有序大孔的金属氧化物材料，其孔隙率范围为66％～81％。Pia等(J.Ceram. Inter.，2015，41：11097-11105)分别以粒径250～450μm的聚丙烯(PP)、250～450μm PMMA粉末为模板剂制备多孔陶瓷材料，结果表明，当模板剂含量增加，孔隙率上升。Zhao等[J.Chem. Let.，2007，36(3)：464～465、J.Chem.Let.，2008，37(4)：420-421]以PMMA微球为模板剂成孔，采用共沉积法制备了三维有序大孔ZrO₂、SiO₂和Al₂O₃对称陶瓷膜，其中ZrO₂膜的孔隙率达到60％，SiO₂膜的孔隙率达到48.1％，但是PMMA不溶于水，在溶液或溶胶中很难分散均匀。 Yun等(J.Ceram.Inter.，2015，41：10788-10794)以直径5μm α-Al₂O₃为主体，掺入直径20μm的 PMMA粉末作为模板剂，制备的支撑体孔隙率为40％左右。徐建等[J.R.Met.Mater.Engin.， 2008，37(2)：196～200]以聚苯乙烯(PS)微球或聚集成的胶体为模板剂，采用TiO₂-SiO₂溶胶与 PS微球聚集体混合旋涂制备出了多孔TiO₂-SiO₂膜，孔径大小为200～300nm。徐南平等人(中国专利，专利号200510038695.3)在多孔金属或陶瓷支撑体上的涂膜液中添加粒径100～1000 nm的PMMA或PS粉末作模板剂，结果得到的陶瓷膜孔隙率达到了60～80％。