一种双梯度孔隙结构塞隆结合碳化硅膜管及其制备方法技术

本发明专利技术属于多孔陶瓷材料领域，具体为一种双梯度孔隙结构塞隆结合碳化硅膜管及其制备方法。膜管材料组成为塞隆及碳化硅，膜管具有由支撑体层及表面膜层构成双梯度过滤结构；其中，支撑体由反应生成塞隆结合粗碳化硅晶粒组成，平均孔径10～50μm，表面膜层由反应生成塞隆结合细颗粒碳化硅晶粒组成，平均孔径0.1～5μm，膜管整体气孔率在40～50％之间。膜管制备方法依次包括配料、支撑体成型、膜层制备和烧成，成型采用等静压成型，成型压力控制为100～150MPa，烧成温度控制为1650～1850℃，保温时间3～5小时，易于实现，能够保证产品性能。本发明专利技术使用温度高、耐酸、碱腐蚀性能强，可用于高温高压气体过滤除尘、水净化等各种高、低温流体过滤净化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于多孔陶瓷材料领域，具体为一种双梯度孔隙结构塞隆结合碳化硅膜管及其制备方法。
技术介绍
高温陶瓷过滤材料一般都在各种苛刻的环境条件下工作，作为气体净化用高温陶瓷过滤材料通常要求具有：(1)高的机械强度、耐高温(300～900℃)和优良的耐介质腐蚀性能；(2)高的过滤精度和过滤气速以及低的压力降；(3)易于反吹、操作稳定、过滤效率高；(4)具有良好的热稳定性能，能够承受频繁的高压脉冲冷气体的反吹造成的热冲击。同时，根据其应用场合要求，高温陶瓷过滤器必须能承受气流化学特性变化的影响组分变化的影响、喷入极细尘粒时振动的影响，并保持较高的除尘效率，保持高流量等要求。选择的陶瓷材料不仅具有热的化学、机械稳定性，还应具有耐用性和高的可靠性；尤其在高温高压条件下，当存在气相硫、碱、氯元素腐蚀的情况时，还要求陶瓷材料具有高的化学稳定性。高温陶瓷过滤材料的过滤性能、高温热稳定性和安定性能以及长周期运行的可靠性能，是高温陶瓷过滤材料设计的关键。具有过滤、脱硫或脱硝多功能一体化的高温陶瓷过滤材料将是气体净化材料进一步发展方向。在各类陶瓷过滤材料中，以SiC陶瓷最有发展前景，因为SiC较氧化物陶瓷具有高导热率、低膨胀系数、抗热冲击性能好、使用温度高(1000℃以上)的特点，因此在汽车尾气、煤化工、融熔金属等产业领域高温流体过滤方面的优选材料。但由于碳化硅陶瓷极难烧结，常规无压烧结温度在2100℃甚至更高，因此在>高温气体过滤方面应用最多的碳化硅过滤材料多为粘土等低温氧化物结合SiC陶瓷，缺点是高温力学性能不佳，导致抗热冲击性能差，使得陶瓷过滤材料难以承受大的热负荷波动；特别是在对低温氧化氧具有腐蚀的环境下，材料使用寿命大大降低，塞隆陶瓷作为一种优良的高温陶瓷，具有耐介质腐蚀性能强，使用温度高，断裂韧性好的显著特点，如果将其作为碳化硅的结合相，必将使得材料整体性能有很大的提升。因此，使用温度高、耐介质腐蚀、高强度、低压降、易于再生、制备方法可靠、成本低的塞隆结合碳化硅膜管过滤材料是人们所期待的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种双梯度孔隙结构塞隆结合碳化硅膜管及其制备方法，具体解决如下技术问题：本专利技术要解决的一个技术问题是：避免现有碳化硅过滤材料大多为粘土等低温氧化物部分结合的材料组成及常规碳化硅陶瓷材料烧结温度极高，提供一种塞隆结合碳化硅过滤材料，材料组成为塞隆结合碳化硅，使得此种材料耐介质腐蚀能力更强。本专利技术要解决的另一个技术问题是：避免现有碳化硅膜管技术中的不足之处，提供一种具有梯度孔隙结构、孔隙率大、强度高、低压降、容易再生，可重复使用的理想的双梯度孔隙结构塞隆结合碳化硅膜管。本专利技术还要解决的一个技术问题是：提供了一种支撑体及膜层一体化烧结制备技术，避免了支撑体及膜层需要分别二次烧成的问题，是一种生产周期短、成品率高、生产成本低的适于规模化生产的双梯度孔隙结构塞隆结合碳化硅膜管的制备方法。为解决碳化硅过滤材料制备中存在的技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一种双梯度孔隙结构塞隆结合碳化硅膜管，双梯度孔隙结构塞隆结合碳化硅膜管的组成为塞隆及碳化硅，具有由支撑体层及表面膜层构成双梯度过滤结构；其中，支撑体由塞隆结合粗颗粒碳化硅晶粒组成，平均孔径10～50μm；表面膜层由塞隆结合细颗粒碳化硅晶粒成，平均孔径0.1～5μm；膜管整体气孔率在40～50％之间。所述的双梯度孔隙结构塞隆结合碳化硅膜管，双梯度孔隙结构塞隆结合碳化硅膜管的长度为100～1500mm，抗折强度35～70MPa。所述的双梯度孔隙结构塞隆结合碳化硅膜管的制备方法，以粗颗粒碳化硅、氮化硅粉、氧化铝微粉、氮化铝微粉、氧化钇或者氧化镧微粉、造孔剂及粘结剂为基本材料，混合配料，利用冷等静压包套压制支撑体；后采用碳化硅微粉、氮化硅粉、氮化铝微粉、氧化铝微粉、氧化钇或者氧化镧微粉、造孔剂及粘结剂配制膜层原料，采用喷涂方法表面制备膜层，经干燥烧结得到成品膜管。所述的双梯度孔隙结构塞隆结合碳化硅膜管的制备方法，具体制备步骤如下：(1)支撑体成型原料准备将原料粗颗粒碳化硅、氮化硅粉、氧化铝微粉、氮化铝微粉、氧化钇或者氧化镧微粉按质量比例为(77～60)：(10～15)：(5～10)：(5～10)：(3～5)共混后；添加上述混合粉末质量15～20％的造孔剂，再添加上述混合物总质量4～6％的粘结剂，粘结剂选用聚乙烯醇；选用水为粘结剂的溶剂，添加水含量为原料总质量的20～30％之间，经机械搅拌后球磨得浆料，而后干燥粉碎得原料复合粉末；(2)支撑体成型将上述复合粉末装在等静压包套中，装填中采用机械震实，等静压包套设计尺寸、结构按设计制备，然后装入冷等静压机中，加压压力为100～150MPa，保压时间在2～5分钟之间，后脱去包套后烘干得到预制支撑体；(3)膜层原料准备将原料碳化硅微粉、氮化硅粉、氧化铝微粉、氮化铝微粉、氧化钇或者氧化镧微粉按质量比例为(77～60)：(10～15)：(5～10)：(5～10)：(3～5)共混后，添加上述混合物总质量4～6％的粘结剂，粘结剂选用聚乙烯醇，选用水为粘结剂的溶剂，添加水含量为原料总质量的40～60％之间，经机械搅拌后球磨得膜层制备用浆料；(4)表面膜层制备采用喷涂方法进行，利用气体喷枪将步骤(3)得到的膜层浆料喷涂在旋转的预制支撑体上，通过调节支撑体与喷枪之间相对位移速度控制膜层厚度，干燥后得到表面膜层；(5)烧结将涂覆表面膜层后的膜管预制体在真空及氮气气氛下烧结，起始气氛为真空状态，升温速率1～5℃/min，升温至800～1000℃，保温0.5～1小时脱去造孔剂；后将烧结炉内充入高纯氮气至常压，升温速率为5～15℃/min，温度为1650～1850℃，保温5～7小时，得双梯度孔隙结构塞隆结合碳化硅膜管。所述的双梯度孔隙结构塞隆结合碳化硅膜管的制备方法，步骤(1)中，粗颗粒碳化硅粒度在30～150μm之间，氮化硅粒度在5～10μm之间；氧化铝微粉粒度为3～5μm之间；氮化铝微粉粒度为1～3μm之间；氧化钇或氧化镧微粉粒度为0.5～1μm之间；造孔剂选择PVC粉末，粒度为10～30μm。所述的双梯度孔隙结构塞隆结合碳化硅膜管的制备方法，步骤(3)中，碳化硅微粉粒度在0.2～10μm之间，氮化硅粒度在1～3μm之间；氧化铝微粉粒度为1～3μm之间；氮化铝微粉粒度为1～2μm之间；氧化钇或氧化镧微粉粒度为0.2～0.5μm之本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双梯度孔隙结构塞隆结合碳化硅膜管，其特征在于：双梯度孔隙结构塞隆结合碳化硅膜管的组成为塞隆及碳化硅，具有由支撑体层及表面膜层构成双梯度过滤结构；其中，支撑体由塞隆结合粗颗粒碳化硅晶粒组成，平均孔径10～50μm；表面膜层由塞隆结合细颗粒碳化硅晶粒成，平均孔径0.1～5μm；膜管整体气孔率在40～50％之间。

【技术特征摘要】
1.一种双梯度孔隙结构塞隆结合碳化硅膜管，其特征在于：双梯度孔隙结构
塞隆结合碳化硅膜管的组成为塞隆及碳化硅，具有由支撑体层及表面膜层构成双
梯度过滤结构；其中，支撑体由塞隆结合粗颗粒碳化硅晶粒组成，平均孔径10～
50μm；表面膜层由塞隆结合细颗粒碳化硅晶粒成，平均孔径0.1～5μm；膜管整
体气孔率在40～50％之间。
2.按照权利要求1所述的双梯度孔隙结构塞隆结合碳化硅膜管，其特征在于：
双梯度孔隙结构塞隆结合碳化硅膜管的长度为100～1500mm，抗折强度35～
70MPa。
3.一种权利要求1所述的双梯度孔隙结构塞隆结合碳化硅膜管的制备方法，
其特征在于：以粗颗粒碳化硅、氮化硅粉、氧化铝微粉、氮化铝微粉、氧化钇或
者氧化镧微粉、造孔剂及粘结剂为基本材料，混合配料，利用冷等静压包套压制
支撑体；后采用碳化硅微粉、氮化硅粉、氮化铝微粉、氧化铝微粉、氧化钇或者
氧化镧微粉、造孔剂及粘结剂配制膜层原料，采用喷涂方法表面制备膜层，经干
燥烧结得到成品膜管。
4.按照权利要求3所述的双梯度孔隙结构塞隆结合碳化硅膜管的制备方法，
其特征在于，具体制备步骤如下：
(1)支撑体成型原料准备
将原料粗颗粒碳化硅、氮化硅粉、氧化铝微粉、氮化铝微粉、氧化钇或者氧
化镧微粉按质量比例为(77～60)：(10～15)：(5～10)：(5～10)：(3～5)共混
后；添加上述混合粉末质量15～20％的造孔剂，再添加上述混合物总质量4～6％
的粘结剂，粘结剂选用聚乙烯醇；选用水为粘结剂的溶剂，添加水含量为原料总
质量的20～30％之间，经机械搅拌后球磨得浆料，而后干燥粉碎得原料复合粉末；
(2)支撑体成型
将上述复合粉末装在等静压包套中，装填中采用机械震实，等静压包套设计
尺寸、结构按设计制备，然后装入冷等静压机中，加压压力为100～150MPa，保
压时间在2～5分钟之间，后脱去包套后烘干得到预制支...

【专利技术属性】
技术研发人员：张劲松，田冲，杨振明，曹小明，刘强，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21