[发明专利]碳化硅晶须补强增韧的碳化硅陶瓷中空纤维膜的制备方法

说明书

本发明涉及一种碳化硅晶须补强增韧的碳化硅陶瓷中空纤维膜的制备方法，首先将聚醚砜、N‑甲基‑吡咯烷酮、碳化硅晶须、碳化硅粉体按照一定比例混合球磨成铸膜浆料，然后挤出纺丝得到生坯，最后利用相转化/高温烧结技术得到了碳化硅晶须增韧补强的碳化硅陶瓷中空纤维膜成品。由于碳化硅晶须的拔出桥连和裂纹转向两种补强增韧机制的共同作用，使得该中空纤维膜成品不但具有自支撑非对称结构而且强度高、装填密度高、渗透通量大、抗热震性能好，可广泛用于高温气固分离领域。

技术领域

本发明涉及中空纤维陶瓷膜技术领域，具体涉及一种碳化硅晶须补强增韧的碳化硅陶瓷中空纤维膜及其制备方法。

背景技术

我国电力、煤化工及水泥等行业不可避免的会排放大量高温烟气，由此带来的大气环境污染已成为亟待解决的环境问题，提高排放烟气的清洁程度是一种有利于环境保护的重要措施。随着高性能气固分离陶瓷膜的出现，为解决这一难题提供了一种切实可行的新型技术路线。要除去高温烟气中的尘粒，必须要求所选的气固分离陶瓷膜能承受高温(500-900℃)、高压(1.0-3.0MPa)以及脉冲反吹时因温度差突变而引起的热应力变化，并具有较高的除尘效率、高的气体流量及低压降等特性。碳化硅是共价键性极强的化合物，它具有强度高、导热率高、耐腐蚀、抗氧化、抗热冲击性好等优点，在严酷的条件下可以保持很好的稳定性，是一种优良的高温气固分离材料。

中国专利CN 105130441 A采用重复“成型-烧结”的循环工艺，形成孔径渐小、逐层递变的碳化硅陶瓷膜微结构，膜体由支撑体和分离层构成。该方法制备工艺复杂，制造周期长，能耗大，导致其成本较高。此外，商用碳化硅陶瓷膜的管式或平板式结构限制了膜的有效面积和装填密度，导致膜分离效率不高，也使其难以满足大规模工业分离应用需求。

相转化法制备的新型中空纤维陶瓷膜由于具备解决上述制约陶瓷膜发展技术瓶颈的能力而受到广泛关注，已公开的研究成果包括CN104785123A、CN105935558A、CN102811969A以及CN105854632A等。中空纤维陶瓷膜除具有传统陶瓷膜的优点以外，还具有单位体积装填密度大、工艺简单、设备简单等优点，尤其是可以一次性制备出自支撑、非对称结构的孔梯度中空纤维膜管，因此备受膜科技领域学者的重视，并在近年来成为无机膜领域的研究热点之一。但由膜的形态结构导致的中空纤维管强度低、在组装时易折断、不易封装等问题日益凸显。因此，提高陶瓷中空纤维膜的力学性能是实现其工业化应用的关键。晶须补强增韧是近十几年来研究较多的有效增韧手段之一。碳化硅晶须素有“晶须之王”的美誉，同时具备强度高、弹性模量大、热稳定性好等优点，是用于补强增韧陶瓷基复合材料中研究得较多的一种增强材料。目前还未发现利用碳化硅晶须补强增韧碳化硅陶瓷中空纤维膜并将其用于高温烟气处理的相关报道。

发明内容

本发明的目的在于解决现有陶瓷管式膜或平板膜有效过滤面积低以及陶瓷中空纤维膜强度低、不易封装等问题，提供一种碳化硅晶须补强增韧的碳化硅陶瓷中空纤维膜及其制备方法和应用。制得的陶瓷中空纤维膜具有自支撑非对称结构，并且强度高、装填密度高、渗透通量大、抗热震性能好，可用于高温气固分离领域。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

碳化硅晶须补强增韧的碳化硅陶瓷中空纤维膜的制备方法，包括以下步骤：

(a)将聚醚砜、N-甲基-吡咯烷酮、碳化硅晶须、碳化硅粉体混合，球磨均匀得到铸膜浆料；

(b)将铸膜浆料加入到纺丝装置中抽真空除气泡，再加入内胶凝剂后加压挤出纺丝，所得纤维湿膜经外凝固浴处理，得到纤维膜生坯；

(c)将纤维膜生坯烧结，得到碳化硅晶须补强增韧的碳化硅陶瓷中空纤维膜。

按照上述方案，铸膜浆料中聚醚砜的质量分数为5％-10％，N-甲基-吡咯烷酮的质量分数为35％-40％，碳化硅粉体的质量分数为30％-60％，余量为碳化硅晶须。

进一步的，所述碳化硅粉体为β晶型，粒径＜50μm。