專利名稱：一種多孔無機微濾濾芯及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無機功能材料領(lǐng)域，屬于多孔無機微濾濾芯制備范疇，提供一種多孔無機微濾濾芯及其制備方法。
背景技術(shù)：
多孔陶瓷微濾濾芯具有耐高溫、耐腐蝕，可清洗的優(yōu)點，多孔金屬微濾濾芯具有耐高溫、強度高、易密封等特點，在水處理、環(huán)保、食品、電力等行業(yè)有著廣泛的用途。
無機多孔材料主要有多孔陶瓷和多孔金屬。多孔陶瓷一般采用傳統(tǒng)的擠壓、注漿等成型方法，為了獲得合適的孔徑和孔隙，大都是通過外加可在高溫下燒失的成孔劑，存在生坯強度差、干燥時間長，且通過成孔劑的燒失獲得的孔徑大，容易出現(xiàn)缺陷，孔的均勻性差，影響其過濾效果。中國發(fā)明專利“一種高孔隙率多孔陶瓷的制備方法”(申請?zhí)?3132960)用常規(guī)陶瓷材料制備工藝，加入了按重量百分比達50-80％的造孔劑，并要將干燥后的陶瓷坯體依次經(jīng)過浸析、干燥、浸漬助燒結(jié)劑、干燥、燒成等工序而獲得多孔陶瓷。中國發(fā)明專利“有機泡沫微球作為成孔劑的熱壓鑄多孔陶瓷的制備方法”(申請?zhí)?3128065)首先利用石蠟熔液浸泡處理過的有機泡沫微球，然后與陶瓷粉體及生物玻璃粘結(jié)劑混勻、熱壓注成型，經(jīng)過脫蠟、排塑、燒結(jié)處理，獲得產(chǎn)品。中國發(fā)明專利“水基凝膠注模成型法制備多孔陶瓷的工藝”(申請?zhí)?3128066)首先要配制好含有有機單體、交聯(lián)劑、引發(fā)劑、分散劑以及陶瓷粉料的比較穩(wěn)定的懸浮液，再在上述復合基料中加入體積分數(shù)為50-80％(相對于上述懸浮液體積)經(jīng)過表面處理的造孔劑，加上適當?shù)膲毫κ乖炜讋┫嗷ソ佑|并能夠均勻分布于懸浮液中，再加入重量分數(shù)為0.1-0.3％(相對于陶瓷粉體的重量)的催化劑并緩慢升溫到60-80℃并保持恒溫30分鐘以上，即得到固化的坯體，然后將坯體脫模、干燥，并燒結(jié)獲得多孔陶瓷。上述幾種發(fā)明專利都需要在復合基料中加入大量的成(造)孔劑，通過成(造)孔劑在高溫燒結(jié)時氣化形成多孔陶瓷。中國發(fā)明專利“一種采用高分子聚合交聯(lián)固化的多孔陶瓷擠壓成型法”(申請?zhí)?8109145)采用高分子聚合交聯(lián)固化的多孔陶瓷擠壓成型法，以現(xiàn)行擠壓成型法為基礎(chǔ)，在濕坯制作時加入由丙烯酰胺(AM)與N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺(MBAM)組成的有機單體及其引發(fā)劑，擠壓成型后加熱使?jié)衽黧w中的有機單體聚合交聯(lián)，干燥和燒成。這種方法需要生坯加熱后使坯體中的有機單體聚合交聯(lián)才能固化。
綜上所述，目前多孔陶瓷存在兩方面的不足，一是添加成(造)孔劑，使多孔陶瓷的精度受到影響，二是需要生坯加熱后使坯體中的有機單體聚合交聯(lián)才能固化。
多孔金屬材料的制備一般都是采用粉末冶金成型方法、鑄造法、沉積法等，對于用于微濾的多孔金屬，多采用粉末冶金成型方法，如模壓法、等靜壓法、粉末軋制法和粉漿擠壓法成型。中國發(fā)明專利“多孔金屬的制造方法(申請?zhí)?0130308)通過加壓使熔融金屬填充到鹽粉末間，再把粉末狀的鹽和金屬粉末的混合物加熱到比鹽的熔融溫度低、比金屬粉末的熔融溫度高的溫度，使上述金屬粉末熔融，再從上述成形體中把鹽溶出最終制成多孔金屬。事實上，這也是一種添加成孔劑的成型方法。
綜上所述，目前現(xiàn)有的無機多孔材料的制備雖然方法不少，但存在如下不足(1)大都需要外加一定數(shù)量的成孔劑，通過在高溫燒結(jié)的時候成孔劑的氣化來產(chǎn)生所需的孔隙，孔徑較大，易出現(xiàn)缺陷。
(2)成型后生坯強度差，有的雖可有好的強度，但需在加熱的條件下反應固化。
(3)坯體固化干燥時間長。
(4)不同的材料和形狀需采用不同的制備方法，例如多孔金屬和多孔陶瓷的制備，管、片的制備可能就要采用不同的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種不用外加成孔劑、具有較強生坯強度、適用多種形狀的多孔無機微濾濾芯的制備方法。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種具有較強生坯強度、適用多種形狀的多孔無機微濾濾芯。
本發(fā)明的原理是不用添加成(造)孔劑，而是通過陶瓷粉本身的架橋、控制燒結(jié)溫度來獲得孔隙，通過選用不同粒徑范圍的原料來獲得0.1-10μm的微濾用多孔陶瓷。使多孔陶瓷成型后在短時間內(nèi)就可以室溫固化，得到強度良好的生坯，優(yōu)化多孔陶瓷的生產(chǎn)工藝、縮短生產(chǎn)周期、提高生坯成品率，獲得高重量的微濾用多孔陶瓷。
本發(fā)明的目的通過如下步驟實現(xiàn)包括如下步驟(1)將100重量份數(shù)基料、8-30重量份數(shù)的載體和2-20重量份數(shù)的固化添加劑混合后，攪拌2-4小時，制成復合基料；(2)復合基料在模具內(nèi)壓制成型，反應固化，制成多孔生坯；(3)生坯脫模、烘干，在700℃～1550℃溫度下燒結(jié)，保溫時間1-2小時，冷卻后制成微濾用無機多孔濾芯；所述基料包括金屬鎳粉、鈦粉或不銹鋼粉中的一種或一種以上的混合物，或是氧化硅粉、氧化鋁粉、硅藻土粉、堇青石粉中的一種或一種以上的混合物；所述載體包括水或乙醇。所述固化添加劑包括有機物固化添加劑或無機物固化添加劑。
本發(fā)明的復合基料中的固化添加劑中的反應物是具有特定性能的有機、無機化合物，這些化合物在室溫下能在固化添加劑中的固化劑作用下發(fā)生反應固化，使生坯具有很好的強度。有機物固化添加劑由反應物和固化劑組成，復合基料添加劑中的有反應物可以是丙烯酸酯、環(huán)氧樹脂、聚氨酯、酚醛樹脂在對應的固化劑作用下室溫發(fā)生交聯(lián)聚合，使壓制成型的生坯具有良好的生坯強度，然后脫模，這種具有了良好強度的生坯，可保證脫模過程中生坯的完整性，在搬運過程中不容易破坯，大大提高了成品率，能有效降低成本。
丙烯酸酯，在異丙苯過氧化氫的作用下，在室溫條件下就可發(fā)生自由基聚合反應，單體發(fā)生接枝共聚、固化，使坯體具有強度。
環(huán)氧樹脂的結(jié)構(gòu)中存在著三元環(huán)，具有很強的開環(huán)能力和特殊的電子云分布，致使環(huán)氧基反應活性很高，在有機胺類固化劑的作用下，與胺中含有的活潑氫原子發(fā)生反應，使環(huán)氧樹脂交聯(lián)固化。
聚氨酯預聚體在低分子量多元醇或多元胺固化劑的作用下交聯(lián)形成聚合物，使坯體固化。
酚醛樹脂在鹽酸、石油磺酸、磷酸等酸固化劑作用下，發(fā)生羥甲基的縮合反應，酚醛樹脂交聯(lián)聚合成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使生坯具有相當強度。
復合基料中的添加劑可以是尿素和對應的水解酶----尿酶，利用尿酶催化劑在室溫所具有的高效催化性能，尿素在尿酶催化劑的作用下，尿素與生坯中的水反應，不需加熱就可使生坯在室溫下干燥脫水固化。
復合基料中的固化劑也可以是無機化合物，通過添加無機化合物，使復合基料在成型后在室溫下固化。固化劑是無機化合物的添加劑是無機膠凝材料，根據(jù)硬化條件的不同可以是水硬性和氣硬性?；w材料在添加水硬性的無機膠凝材料充分攪拌混合后，壓制成型，無機膠凝材料與水發(fā)生水化作用，形成水化物，從而使生坯凝結(jié)硬化，具有很好的生坯強度。本發(fā)明的水硬反應型無機膠凝材料是硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥和石膏。
硅酸鹽水泥與基料和水混合攪拌均勻后，水泥表面的硅酸二鈣、硅酸三鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣等與水發(fā)生水化作用，形成相應的水化物，以膠體微粒析出，并逐漸凝聚而成為凝膠，經(jīng)過一定時間后硬化。
鋁酸鹽水泥的主要礦物成分是鋁酸一鈣、二鋁酸一鈣。其中鋁酸一鈣硬化迅速，是以鋁酸鹽水泥為添加劑的多孔陶瓷微濾濾芯的初始強度的主要來源。
石膏的主要成分是含水硫酸鈣。多孔陶瓷微濾濾基料與石膏和水混合攪拌均勻并壓制成型后，其中的半水石膏與水反應，重新水化生成二水石膏放出熱量并逐漸凝結(jié)硬化，以后水化物晶體繼續(xù)大量形成、長大，晶體之間相互接觸和連生，形成結(jié)晶構(gòu)網(wǎng)，使坯體硬化。
除水硬性無機膠凝材料，室溫固化的多孔無機微濾濾芯還可以采用氣硬性的無機膠凝材料。本發(fā)明的氣固反應型無機膠凝材料是磷酸鹽、氫氧化鈣、堿金屬硅酸鹽、水玻璃和硅溶膠等。當壓制成型后，置于所需氣氛(空氣或CO2氣體)中，生坯中的活性組分與相應氣體反應，使坯體固化具有很好的強度。
這些在室溫即可發(fā)生反應，形成交聯(lián)、固化或脫水的添加劑不受多孔無機微濾濾芯基料的影響，不論是鎳、鈦、不銹鋼、青銅、銅等金屬粉類的金屬基料，還是氧化硅、氧化鋁、硅藻土、珍珠巖、石英砂、堇青石等陶瓷粉類的陶瓷基料，或是其中的一種或其中兩種組成的混合粉料，都可以向其中添加由有機、無機化合物及其對應的催化劑和/或固化劑，這些化合物在室溫下能在添加劑中的催化劑或固化劑作用下發(fā)生固化，使生坯具有很好的強度。采用這種室溫固化成型方法，可以壓制成管狀、圓片狀、碗狀、半球狀和子彈頭狀。生坯強度好，能有效提高坯體的成品率。脫模后，干燥和燒結(jié)可以獲得缺陷少的各種形狀的多孔無機微濾濾芯。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(1)不用外加成孔劑。
(2)坯體在室溫下反應固化，具有很好的生坯強度。
(3)適用于管狀、圓片狀、碗狀、半球狀和子彈頭狀等不同形狀的濾芯制備。
既適用于多孔陶瓷濾芯的制備又可用于制備多孔金屬。
下面通過實施例進一步詳述本發(fā)明。
具體實施例方式
下面對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細的說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
實施例1先將2.5重量份的尿素、0.5重量份尿酶溶于20重量份的載體水中，再與100重量份平均粒徑為10μm的氧化鋁粉基料混合，配制成復合基料，經(jīng)過2小時機械攪拌，制成均勻的復合基料。將復合基料加入中空圓型模具內(nèi)，壓實放置1小時，在尿酶的作用下，坯體中的尿素與水發(fā)生水解反應，使坯體中的水分去除，達到干燥的目的，坯體固化，獲得強度，脫模，生坯經(jīng)過進一步干燥、燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1550℃，保溫時間1小時，冷卻后即得到多孔氧化鋁片。
經(jīng)檢測，所得多孔氧化鋁片微濾濾芯平均孔徑約為2μm，孔隙率約38％，直徑100mm，厚度為5mm。這種多孔氧化鋁片強度好，除可用于水、空氣及其它流體的微濾外，還可用作多孔載體，進行修飾和改性，制備納米膜等功能膜。
實施例2先將20重量份的石膏溶于30重量份的載體水中，再與100重量份平均粒徑為10μm的硅藻土粉基料混合，配制成復合基料，經(jīng)過3小時機械攪拌，制成均勻的復合基料。將復合基料加入管型模具內(nèi)壓制成型后，其中的半水石膏與水反應，重新水化生成二水石膏放出熱量并逐漸凝結(jié)硬化，以后水化物晶體繼續(xù)大量形成、長大，晶體之間相互接觸和連生，形成結(jié)晶構(gòu)網(wǎng)，使坯體硬化。然后脫模，生坯經(jīng)過進一步干燥、燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1110℃，保溫時間2小時，冷卻后即得到管形多孔硅藻土濾芯。經(jīng)檢測，平均孔徑約為0.3μm，孔隙率約55％，直徑120mm，厚度為8mm，高100mm。
硅藻土是一種生物成因的硅質(zhì)沉積巖，主要由古代硅藻及其它微生物的硅質(zhì)遺骸組成，主要成分為蛋白石及其變種，硅藻土中的硅藻有許多不同形狀，如圓盤狀、針狀、筒狀、羽狀等，硅殼上有無數(shù)間隙的小孔、孔隙率極高達80-90％，硅藻土的工藝特性是細膩、松散、質(zhì)輕、多孔、吸水和滲透性強等特點。本實施例制出的管形多孔硅藻土濾芯具有很高的孔隙率并且具有大通量?？捎糜谒涂諝獾攘黧w的過濾，可以濾除流體中的塵埃、懸浮污染物、微生物等有害物質(zhì)。
實施例3先將10重量份的氫氧化鈣溶于15重量份的載體水中，再與100重量份平均粒徑為10μm的二氧化硅粉基料混合，配制成復合基料，經(jīng)過3小時機械攪拌，制成均勻的復合基料。將復合基料加入子彈頭型的模具內(nèi)，擠壓成型，通入CO2使坯體固化，獲得所需強度，脫模，干燥，在1300℃燒結(jié)，保溫時間1小時，冷卻后即得到子彈頭型多孔二氧化硅濾芯。
經(jīng)檢測，所得多孔二氧化硅濾芯平均孔徑約為10μm，孔隙率約40％，直徑38mm，厚度為8mm，高75mm?？捎米魑V的預過濾用濾芯，除去水中的懸浮物、塵埃和藻類、紅蟲等污染物。
實施例4先將1.8重量份的丙烯酸酯、0.2重量份的異丙苯過氧化氫溶于20重量份的載體乙醇中，再與100重量份的平均粒徑為10μm金屬鈦粉基料混合，配制成復合基料，經(jīng)過3小時機械攪拌，制成均勻的復合基料。將復合基料加入圓片型模具內(nèi)，壓實放置1小時，在異丙苯過氧化氫的作用下，坯體中的丙烯酸酯發(fā)生自由基聚合反應，單體發(fā)生接枝共聚、固化，使坯體具有強度。脫模，生坯經(jīng)過烘干、惰性氣氛燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1100℃，保溫時間1小時，冷卻后即得到多孔金屬鈦片。
經(jīng)檢測，所得多孔金屬鈦片濾芯，可獲得平均孔徑約為2μm的多孔金屬鈦片，孔隙率約40％，直徑150mm，厚度為3mm。這種多孔金屬鈦片強度好，可用于水、空氣及其它流體的微濾，除去流體中的懸浮物，還可用于曝氣。
實施例5先將2.6重量份的酚醛樹脂、0.4石油磺酸催化劑溶于20重量份的載體乙醇中，再與100重量份的粒徑為20μm 316不銹鋼粉基料混合，配制成復合基料，經(jīng)過3小時機械攪拌，制成均勻的復合基料。將復合基料加入子彈頭型模具內(nèi)，壓實，酚醛樹脂在石油磺酸催化劑作用下進行聚合固化，使坯體具有強度，脫模，生坯經(jīng)過進一步干燥，氫還原氣氛燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1050℃，保溫時間1小時，冷卻后即得到子彈頭型多孔不銹鋼濾芯。經(jīng)檢測，平均孔徑約為5μm，孔隙率約45％，直徑38mm，厚度為3mm，高100mm?？捎米魉奈V，除去水中的懸浮物、塵埃和藻類、紅蟲等污染物，也可用作空氣的凈化，除去空氣中的塵埃、微生物等。
實施例6先將3重量份的硅酸鈉溶于8重量份的載體水中，再與100重量份的粒徑為3μm金屬鎳粉基料混合，配制成復合基料，經(jīng)過3小時機械攪拌，制成均勻的復合基料。將復合基料加入管型的模具內(nèi)，擠壓成型，并通入CO2使坯體固化。脫模，干燥，在700℃真空燒結(jié)，保溫時間1小時，冷卻后即得到管型多孔金屬鎳濾芯。經(jīng)檢測，平均孔徑約為0.5μm，孔隙率約41％，直徑45mm，厚度為3mm，高200mm?？捎米魉涂諝獾膬艋⒊捌渌黧w的澄清、微濾，也可用作多孔載體。
實施例7先將10重量份的水玻璃溶于20重量份的載體水中，再與100重量份粒徑為8μm的堇青石粉基料混合，配制成復合基料，經(jīng)過2小時機械攪拌，攪拌均勻后，將復合基料加入片半球形模具內(nèi)，壓制成型，坯體硬化后脫模，生坯經(jīng)過進一步干燥、燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1250℃，保溫時間1小時，冷卻后即得到半球形多孔堇青石濾芯。經(jīng)檢測，平均孔徑約為0.1μm，孔隙率約48％，直徑120mm，厚度為6mm，高60mm。
實施例8先將10重量份的硅酸鹽水泥溶于30重量份的載體水中，再與100重量份粒徑為10μm的珍珠巖粉基料混合，配制成復合基料，經(jīng)過4小時機械攪拌，制成均勻的復合基料。將復合基料加入圓型模具內(nèi)，壓實成片，硅酸鹽水泥表面的硅酸二鈣、硅酸三鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣等與水發(fā)生水化作用，形成相應的水化物，以膠體微粒析出，并逐漸凝聚而成為凝膠，經(jīng)過一定時間后硬化，使坯體具有強度，脫模，生坯經(jīng)過進一步干燥、燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1110℃，保溫時間1小時，冷卻后即得到片狀多孔珍珠巖濾芯。經(jīng)檢測，平均孔徑約為0.4μm，孔隙率約65％，直徑150mm，厚度為15mm。
權(quán)利要求
1.一種多孔無機微濾濾芯的制備方法，其特征在于包括如下步驟(1)將100重量份數(shù)基料、8-30重量份數(shù)的載體和2-20重量份數(shù)的固化添加劑混合后，攪拌2-4小時，制成復合基料；(2)將(1)制備的復合基料在模具內(nèi)壓制成型，反應固化，制成多孔生坯；(3)將(2)制備的生坯脫模、烘干，在700℃～1550℃溫度下燒結(jié)，保溫時間1-2小時，冷卻后制成微濾用無機多孔濾芯；所述基料包括金屬鎳粉、鈦粉或不銹鋼粉中的一種或一種以上的混合物，或是氧化硅粉、氧化鋁粉、硅藻土粉、堇青石粉中的一種或一種以上的混合物；所述載體包括水或乙醇；所述固化添加劑包括有機物固化添加劑或無機物固化添加劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述多孔無機微濾濾芯的制備方法，其特征在于所述有機物固化添加劑包括反應物和固化劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述多孔無機微濾濾芯的制備方法，其特征在于所述反應物為丙烯酸酯，固化劑為異丙苯過氧化氫；或反應物為酚醛樹脂，固化劑鹽酸或石油磺酸或磷酸；或反應物為尿素，固化催化劑為尿酶。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述多孔無機微濾濾芯的制備方法，其特征在于所述無機物固化添加劑是室溫下固化的水硬性無機膠凝材料或氣硬性無機膠凝材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述多孔無機微濾濾芯的制備方法，其特征在于所述水硬性的無機膠凝材料包括硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥或石膏；所述氣硬性的無機膠凝材料是磷酸鹽、氫氧化鈣、堿金屬硅酸鹽或水玻璃。
6.權(quán)利要求1所述多孔無機微濾濾芯制備方法所制備的多孔無機微濾濾芯。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述多孔無機微濾濾芯，其特征在于所述多孔無機微濾濾芯的形狀為管狀、圓片狀、碗狀、半球狀或子彈頭狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述多孔無機微濾濾芯，其特征在于所述多孔無機微濾濾芯平均孔徑為0.1um～10um；孔隙率為38％～65％；厚度為3～15mm。
全文摘要
本發(fā)明提供一種多孔無機微濾濾芯及其制備方法。其制備方法是將基料、載體和固化添加劑通過攪拌2－4小時制成復合基料，復合基料在模具內(nèi)經(jīng)過壓制成型，反應固化，制成多孔生坯，生坯再經(jīng)過脫模、烘干，在700℃～1550℃溫度下燒結(jié)，保溫時間1－2小時，冷卻后制成微濾用無機多孔濾芯?；鲜墙饘冁嚒⑩?、不銹鋼、青銅、銅金屬粉和氧化硅、氧化鋁、硅藻土、珍珠巖、石英砂、堇青石陶瓷粉；載體是水或乙醇；本方法制備多孔無機微濾濾芯不用外加成孔劑，且坯體在室溫下反應固化，具有很好的生坯強度，適用于管狀、圓片狀、碗狀、半球狀和子彈頭狀不同形狀的濾芯制備。
文檔編號B22F3/11GK1669705SQ200410091808
公開日2005年9月21日 申請日期2004年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月31日
發(fā)明者黃肖容, 隋賢棟 申請人:華南理工大學