[发明专利]一种粉煤灰基陶瓷微滤膜的共烧结制备方法

说明书

本发明涉及一种低成本粉煤灰基陶瓷膜的共烧结制备方法。通过在粉煤灰晶须中掺杂刚性氧化物晶须，继而在生坯粉煤灰基载体上涂覆氧化铝陶瓷微滤膜，采用共烧结技术，一步烧结制备了粉煤灰基陶瓷微滤膜。刚性晶须的掺杂缓解了粉煤灰载体过度收缩，匹配了顶层氧化铝膜的热力学性质，可以通过共烧结技术一步制备出完整无缺陷的粉煤灰基陶瓷膜。制备粉煤灰基陶瓷微滤膜大幅度降低了陶瓷膜的原料成本和烧结能耗，较文献报道的陶瓷微滤膜的性能更高。

技术领域

本发明涉及一种低成本粉煤灰基陶瓷微滤膜的共烧结制备方法，属于膜材料制备领域。

背景技术

陶瓷膜以其优异的材料性能在很多苛刻的应用体系中表现出有机膜无可比拟的优势，但是陶瓷膜较高的制备成本是一个不可忽视的问题，已成为限制陶瓷膜应用的主要因素，如何降低陶瓷膜的制备成本成为当前陶瓷领域关注的核心问题之一。

共烧结技术是同时从缩短工艺和降低能耗的角度出发，将原来多次的烧结过程简化成一次烧结过程，可以大幅度降低材料的烧结能耗和制备成本，缩短材料的制备周期，已经广泛应用于功能陶瓷元件、氧化物燃料电池以及陶瓷膜的制备过程中，并且在多通道陶瓷微滤膜的制备过程中也得到了良好的应用。不同材料层等进行共烧结时，需要控制不同界面间的反应和界面扩散，需要匹配各介质层的共烧性能，使致密化速率、烧结收缩率及热膨胀速率等参数尽量达到一致，否则容易产生层裂、翘曲和裂纹等缺陷。

Dong等(J Membr Sci,2006,281:592-599)以两种低成本且热力学性质相似的堇青石粉末为原料，通过共烧结技术制备了高性能陶瓷微滤膜，平均孔径分别为1.55μm和2.17μm。Feng等(J Membr Sci,2007,305:20-26)提出共烧结过程除了需要考察两层膜材料在烧结性能上的匹配性及膜层缺陷的控制外，还需要注意共烧结过程与载体间的截面结合强度。Qiu等(J Mater Sci,2009,44:689-699)在此基础上对共烧结理论进行深度分析，对担载膜受限烧结孔结构模型进行了改进和普适性研究，对烧结过程中堆积方式、保温时间以及载体限制作用导致的膜层z方向加速收缩等因素进行了考察，并且采用改进的模型对氧化锆担载膜在1000℃左右烧结后，对孔径分布、孔隙率、膜层厚度等参数进行预测。此外，Qiu等(J Membr Sci,2010,348(1-2):252-259)在此理论基础上，采用氧化钛溶胶和氧化钛晶须配制成制膜液作为过渡层，纯氧化钛溶胶作为顶层分离层，在平均孔径为3μm的载体上采用共烧结工艺一步烧结制备了双层氧化钛超滤膜。

发明内容

本发明的目的是为了改进现有技术的不足而提出一种粉煤灰基陶瓷微滤膜的共烧结制备方法，通过刚性晶须的掺杂，缓解了载体的收缩速率，和分离层膜的收缩速率一致，采用共烧结技术一步制备了高性能粉煤灰基陶瓷微滤膜，大幅度降低了陶瓷膜的烧结能耗和原料成本。

本发明的技术方案为：一种粉煤灰基陶瓷微滤膜的共烧结制备方法，其具体步骤如下：A将分级后的粉煤灰和刚性氧化物晶须按比列混合，然后加入粘结剂，经过混料、炼泥、造粒后，通过干压成型，压出生坯片式粉煤灰-晶须载体；B将一定粒径的氧化铝粉体、分散剂和增稠剂在超声作用下制备出稳定的微滤膜制膜液，将制膜液采用喷枪喷涂在生坯片式粉煤灰-晶须载体上，经过干燥、共烧结过程，得到粉煤灰基陶瓷微滤膜。

优选所述的分级后的粉煤灰为采用100-1000目的筛子进行分离原料粉煤灰。

优选所述的刚性氧化物晶须为自莫来石、氧化铝、碳化硅或氧化硅晶须中的一种或者多种；刚性晶须和粉煤灰采用机械搅拌1-60min；刚性氧化物晶须和粉煤灰的质量比为1:(6-10)。

优选所述的粘结剂为甘油、聚乙烯醇或甲基纤维素中的一种或者多种；其中粘结剂的添加量为占粉煤灰和晶须总质量的2％-10％。

优选压成型的压力为5MPa-30MPa，压制时间为5-60s。