一種碳化硅陶瓷膜及其制備方法
【專利說明】
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明公開一種碳化硅陶瓷膜及其制備方法，屬于陶瓷膜技術(shù)領(lǐng)域。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004] 當前我國大氣環(huán)境形勢十分嚴峻，大范圍霧霾天氣頻發(fā)，部分城市PM2. 5嚴重超 標，以細顆粒為特征的大氣污染問題日益凸顯，對人體健康和環(huán)境質(zhì)量造成了巨大危害，嚴 重制約社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。在鋼鐵、水泥、電力、煤化工等工業(yè)窯爐所排放的高溫煙氣 的治理成為首要解決的問題之一。
[0005] 解決高溫煙氣的粉塵排放超標問題需要氣固分離設(shè)備，傳統(tǒng)氣固分離工藝，如電 除塵器、袋式除塵、旋風除塵等工藝，普遍存在操作溫度低、分離效率不高、產(chǎn)生二次污染等 缺點，不能滿足工業(yè)化要求，隨著高性能氣固分離陶瓷膜的出現(xiàn)，為解決這一難題提供了切 實可行的新型技術(shù)路線。
[0006] 碳化硅多孔材料的制備一般燒結(jié)溫度高，通常在1800°C以上，并且碳化硅材料易 被氧化，在沒有氣氛保護的情況下制備碳化硅陶瓷，燒結(jié)溫度越高，則碳化硅陶瓷材料越易 被氧化，燒結(jié)溫度高，在生產(chǎn)過程中直接的能耗就高，此外，在一些工況惡劣的煙氣過濾過 程中，碳化硅陶瓷膜支撐體與膜層會由于材料韌性較差，發(fā)生脆性斷裂現(xiàn)象而導致碳化硅 陶瓷的使用壽命較低。因此，降低碳化硅多孔陶瓷制備中的燒結(jié)溫度以及提高碳化硅陶瓷 的韌性一直是碳化硅多孔陶瓷制備研究的熱點。
[0007] 專利CN104211422A公開了一種晶須增強SiC多孔陶瓷材料及其制備方法，通過在 原料粉體中加入增強劑SiC晶須來提高SiC多孔陶瓷的強度，燒結(jié)溫度為1450~1650°C。 專利CN102030534B公開了一種碳化硅陶瓷的制備方法，該方法通過向骨料中添加氧化鑭 和二氧化硅，利用氧化鑭和二氧化硅能夠在1670°C以上形成液相，使碳化硅陶瓷的燒結(jié)溫 度下降到最低為1750°C。
[0008]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于提供一種碳化硅陶瓷膜及其制備方法，以提高碳化硅陶瓷膜的 韌性、強度和孔隙率，碳化硅陶瓷膜可廣泛應(yīng)用于高溫氣體凈化領(lǐng)域。
[0010] 碳化硅陶瓷膜是一種復合物陶瓷材料，由過濾層和支撐層組成，是一種非對稱性 結(jié)構(gòu)的微孔材料，其中支撐層起著剛性骨架的作用，過濾層起主要的過濾作用。
[0011] -種碳化硅陶瓷膜，包括支撐層和膜層，所述的支撐層中包括有按照重量百分比 計的如下組分：SiC骨料70~90%、燒結(jié)助劑5~15%、增韌助劑5~10%。
[0012] 所述的膜層的材質(zhì)是碳化硅、氧化鋁、莫來石、氧化鋁纖維中的一種或幾種的混 合。
[0013] 所述的燒結(jié)助劑中包括鈦白粉、硅微粉以及第一粉體，所述的第一粉體選自蘇州 土、碳酸鈣或鈦酸鋇中的任意一種或幾種的混合。
[0014] 所述的增韌助劑選自氧化鋯粉體、硅酸鋁纖維、莫來石纖維中的任意一種或幾種 的混合。
[0015] 碳化硅陶瓷膜的制備方法，包括如下步驟： 第1步、將SiC骨料、燒結(jié)助劑、增韌助劑、高分子粘結(jié)劑按定比例混合，經(jīng)攪拌和球磨、 成型以及高溫燒結(jié)后得到碳化硅支撐體； 第2步、在碳化硅支撐體的表面涂上涂膜液，再經(jīng)過干燥、燒結(jié)，制得碳化硅陶瓷膜。
[0016] 所述的第1步中，高分子粘結(jié)劑為聚乙烯醇。
[0017] 所述的第1步中，成型方法選自擠出成型或者等靜壓成型。
[0018] 所述的第1步中，SiC骨料粒徑為20~300ym，優(yōu)選地，SiC骨料粒徑為60~ 200ym〇
[0019]所述的第1步中，混合粉體攪拌時間為0. 5~lh，球磨時間為2~8h。
[0020] 所述的第1步中，碳化硅支撐體燒結(jié)程序為：以1~2°C/min的升溫速率升至 300°C，再以2~4°C/min的升溫速率升至600°C，保溫1~2h后，再以3~5°C/min的升 溫速率升至1350~1550 °C，保溫3~6h后隨爐降溫。
[0021] 所述的第2步中，涂膜液是由碳化硅、氧化鋁、莫來石、氧化鋁纖維中的一種或幾 種的混合物以及粘結(jié)劑、分散劑、分散介質(zhì)混合后，經(jīng)球磨得到的懸浮液。
[0022] 所述的分散介質(zhì)是水。
[0023] 所述的第2步中，分散劑為甲基纖維素，粘結(jié)劑為聚乙烯醇。
[0024] 所述的第2步中，碳化硅、氧化鋁以及莫來石粉體的粒徑范圍為2~30ym，混合粉 體質(zhì)量占懸浮液質(zhì)量的30~50%，粘結(jié)劑和分散劑占懸浮液質(zhì)量的5~10%。
[0025] 所述的第2步中，涂膜方式為浸漿法或者是噴涂法。
[0026] 所述的第2步中，碳化硅支撐體涂膜后進行燒結(jié)，升溫速率為2~4°C/min，升溫 至1400~1500°C，保溫2~5h后，隨爐冷卻降溫。
[0027] 有益效果 本發(fā)明的優(yōu)點在于提供了一種碳化硅膜的制備方法，使用該配方制備的碳化硅陶瓷膜 燒結(jié)溫度低，強度高，孔隙率大，韌性增強。
[0028]
【具體實施方式】
[0029] 下面通過【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明。但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理 解，下列實施例僅用于說明本發(fā)明，而不應(yīng)視為限定本發(fā)明的范圍。實施例中未注明具體技 術(shù)或條件者，按照本領(lǐng)域內(nèi)的文獻所描述的技術(shù)或條件（例如參考徐南平等著的《無機膜 分離技術(shù)與應(yīng)用》，化學工業(yè)出版社，2003)或者按照產(chǎn)品說明書進行。所用試劑或儀器未 注明生產(chǎn)廠商者，均為可以通過市購獲得的常規(guī)產(chǎn)品。
[0030] 本文使用的近似語在整個說明書和權(quán)利要求書中可用于修飾任何數(shù)量表述，其可 在不導致其相關(guān)的基本功能發(fā)生變化的條件下準許進行改變。因此，由諸如"約"的術(shù)語修 飾的值并不局限于所指定的精確值。在至少一些情況下，近似語可與用于測量該值的儀器 的精度相對應(yīng)。除非上下文或語句中另有指出，否則范圍界限可以進行組合和/或互換，并 且這種范圍被確定為且包括本文中所包括的所有子范圍。除了在操作實施例中或其他地方 中指明之外，說明書和權(quán)利要求書中所使用的所有表示成分的量、反應(yīng)條件等等的數(shù)字或 表達在所有情況下都應(yīng)被理解為受到詞語"約"的修飾。
[0031] 以范圍形式表達的值應(yīng)當以靈活的方式理解為不僅包括明確列舉出的作為范圍 限值的數(shù)值，而且還包括涵蓋在該范圍內(nèi)的所有單個數(shù)值或子區(qū)間，猶如每個數(shù)值和子區(qū) 間被明確列舉出。例如，"大約〇. 1%至約5%"的濃度范圍應(yīng)當理解為不僅包括明確列舉出 的約0. 1%至約5%的濃度，還包括有所指范圍內(nèi)的單個濃度(如，1%、2%、3%和4%)和子區(qū)間 (例如，0. 1%至0. 5%、1%至2. 2%、3. 3%至4. 4%)。以下實施例中所述的百分經(jīng)在無特殊說明 的情況下，都是指質(zhì)量百分比。
[0032] 本發(fā)明中所制備的氣固分離陶瓷膜是指非對稱膜，其底部為支撐體層，在支撐體 層的上部為膜層，在一些情況下，也可以在支撐體層與膜層之間設(shè)置中間層。
[0033]I撐體層 本發(fā)明中所提供的碳化硅氣固分離膜的支撐層中包括有按照重量百分比計的如下組 分：SiC骨料70~90%、燒結(jié)助劑5~15%、增韌助劑5~10%。
[0034] 在制備的過程中SiC骨料粒徑為20~300ym，優(yōu)選地，SiC骨料粒徑為60~ 200ym。作為構(gòu)成支撐體層的除碳化硅以外的粒子，根據(jù)需要可以單獨可以復合含有選自 硅、鋁、鋯、鈦等第3族~第14族元素中的至少1種元素或者它們的氧化物、碳化物、氮化 物。另外，形成支撐體層的碳化硅粒子不一定是由碳化硅單體構(gòu)成的粒子，也可以為包含碳 化硅的粒子。例如可以為由碳化硅與選自上述第3族~第14族元素中的至少1種元素或 者它們的氧化物、碳化物、氮化物構(gòu)成的復合粒子。
[0035] 燒結(jié)過程中，需要加入燒結(jié)助劑以降低燒結(jié)溫度。可以選用的燒結(jié)助劑包括鈦白 粉、硅微粉以及第一粉體，所述的第一粉體選自蘇州土、碳酸鈣或鈦酸鋇中的任意一種或幾 種的混合。其中，硅微粉可以提高與膜層的結(jié)合力，而第一粉體的加入可以顯著地提高強 度。增韌助劑選自氧化鋯粉體、硅酸鋁纖維、莫來石纖維中的任意一種或幾種的混合，可以 提高與膜層之間的結(jié)合力，同時也可以提高斷裂韌性。
[0036] 臘層 構(gòu)成膜層的材料可以從現(xiàn)有公知的陶瓷粉體材料中適當選擇，優(yōu)選是碳化硅、氧化鋁、 莫來石、氧化鋁纖維中的一種或幾種的混合。以上構(gòu)成