纯碳化硅陶瓷膜元件及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种纯碳化硅陶瓷膜元件及其制备方法，包括如下步骤：支撑体的制备、过渡层的制备、以及表面膜层的制备。其中，不同层采用不同粒径的碳化硅粉体和聚碳硅烷制备而成，且使用聚碳硅烷作为碳化硅的前驱体。根据本发明专利技术获得的纯碳化硅陶瓷膜元件，由于使用聚碳硅烷作为碳化硅的前驱体，聚碳硅烷能在较低的热处理温度下分解产生高活性碳化硅，分解产生的碳化硅作为高温结合剂连接初始碳化硅，因此该方法制备的全碳化硅陶瓷膜具有抗折强度高、烧结温度低的特点。此外，所制备得到的碳化硅陶瓷膜由纯碳化硅组成，表现为较强的亲水憎油特性；良好的机械性能，较高的膜通量，以及很强的化学稳定性。

Pure silicon carbide ceramic membrane components and their preparation methods

The present invention provides a pure silicon carbide ceramic membrane element and a preparation method, including the following steps: preparation of a supporting body, preparation of a transition layer, and preparation of a surface film layer. Different silicon carbide powders and polysilanes were prepared in different layers, and polysilanes were used as precursors of silicon carbide. The pure silicon carbide ceramic membrane element obtained according to the present invention is prepared by the method, because polycarborane can be decomposed to produce highly active silicon carbide at lower heat treatment temperature because of the use of polycarborane as a precursor of silicon carbide. The film has the characteristics of high flexural strength and low sintering temperature. In addition, the prepared silicon carbide ceramic film consists of pure silicon carbide, which shows strong hydrophobicity and hydrophobicity, good mechanical properties, high membrane flux and strong chemical stability.

【技术实现步骤摘要】
纯碳化硅陶瓷膜元件及其制备方法
本专利技术涉及节能环保
，具体地，涉及纯碳化硅陶瓷膜元件及其制备方法。
技术介绍
随着日益严格的污水排放标准，膜分离技术相比传统的分离方法，比如混凝沉淀法、活性污泥法、吸附法等污水处理工艺，具有分离精度高、处理通量大等特点，在水处理领域受到越来越多的关注，研究人员越来越倾向利用膜分离技术处理各种废水。在诸多分离膜中，无机陶瓷膜是高性能膜材料的重要组成部分，是由无机金属氧化物制备而成的具有高效分离功能的薄膜材料，具有耐高温、耐化学侵蚀、机械强度好、抗微生物能力强、渗透通量大、可清洗性强、孔径分布窄、使用寿命长，不易损坏等的优点。目前无机陶瓷膜的研究主要集中在氧化铝、氧化锆、堇青石等膜材，商业化的无机陶瓷膜主要是氧化铝膜。然而，在强腐蚀、含油、含重金属离子等复杂使用环境下，传统陶瓷膜耐强酸碱腐蚀性差、抗高温热震性差等问题逐渐显现出来，在极端环境中的应用受到诸多限制。在诸多无机膜产品中，碳化硅陶瓷膜是膜产业中的最新产品，能够在高温、强腐蚀性、油水混合、易沉积等复杂极端环境下，有效过滤掉有害物质。常见的碳化硅制备技术包括液相烧结、固相烧结、反应烧结、重结晶烧结等方法。其中，液相烧结碳化硅和固相烧结碳化硅中含有少量的第二相，该相在强酸、强碱条件下容易发生腐蚀反应，导致材料强度降低、使用寿命缩短；反应烧结碳化硅制备过程中伴随熔融硅相的产生，气孔尺寸和过滤精度难于控制；重结晶碳化硅烧结温度较高、设备投入大。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提出了一种基于有机前驱体的碳化硅的陶瓷膜元件制备方法，以及通过上述基于前驱体的碳化硅的陶瓷膜元件制备方法所制得的纯碳化硅陶瓷膜元件。为解决上述技术问题，本专利技术采用了以下技术方案：根据本专利技术第一方面实施例的纯碳化硅陶瓷膜元件的制备方法，包括如下步骤：步骤1，支撑体的制备：按照质量比100：(20～40)：(3～5)：(10～15)称取碳化硅粉Ⅰ、聚碳硅烷、结合剂和造孔剂，与水配置成泥料并成型，经过烧结得到纯碳化硅陶瓷膜支撑体，步骤2，过渡层的制备：按照质量比100：(30～50)：(20～40)：(10～20)称取碳化硅粉Ⅱ、聚碳硅烷、聚乙烯醇和聚丙烯酸，与水混合得到过渡层浆料，使所述过渡层浆料被覆在所述步骤1的纯碳化硅陶瓷膜支撑体的内孔表面以形成被覆层，此后进行真空烧结以在所述支撑体的内孔表面形成过渡层，步骤3，表面膜层的制备：按照质量比100：(40～60)：(15～25)：(5～10)称取碳化硅粉Ⅲ、聚碳硅烷、聚乙烯醇和聚丙烯酸，与水混合得到涂膜液，使所述涂膜液在所述步骤2得到的支撑体中流动，以在所述过渡层上形成涂膜层，此后进行真空烧结以在所述过渡层上形成表面膜层，其中，所述碳化硅粉Ⅰ的平均粒径＞所述碳化硅粉Ⅱ的平均粒径＞所述碳化硅粉Ⅲ的平均粒径。根据本专利技术的一些实施例，所述支撑体的制备具体包括如下步骤：步骤11，按照质量比100:(20～40)：(3～5):(10～15)称取碳化硅粉Ⅰ、聚碳硅烷、结合剂和造孔剂；步骤12，将聚碳硅烷溶于四氢呋喃液体，将所述结合剂溶于水，然后将碳化硅粉Ⅰ、聚碳硅烷溶液、造孔剂、结合剂溶液加入到混料桶中，混合得到均匀物料，其固含量为50％～70％；步骤13，对所述混合物料进行混练，得到泥料；步骤14,将所述泥料进行挤出成型，得到素坯；步骤15，将所述素坯干燥后进行烧成，得到纯碳化硅陶瓷膜支撑体。根据本专利技术的一些实施例，所述步骤11中，所述碳化硅粉Ⅰ的平均粒径范围在35～55μm之间，优选地所述聚碳硅烷的纯度为98％以上，热解碳化硅产率大于65％。根据本专利技术的一些实施例，所述步骤11中，所述结合剂选自羧甲基纤维素钠、羧乙基纤维素钠、聚乙烯醇、聚乙二醇、及其混合物。根据本专利技术的一些实施例，所述结合剂羧甲基纤维素钠为，粘度为10000～20000Pa·S，优选地纯度为98.5％以上。根据本专利技术的一些实施例，所述步骤11中，所述造孔剂为炭黑、活性碳粉、石墨粉、或玉米粉，平均粒径为5～10μm之间。根据本专利技术的一些实施例，所述步骤14中，将所述混合物料放入真空练泥机中，在挤出压力0.08～0.12MPa，真空度0.05～0.1MPa的条件下练泥6～12小时后，在室温下陈腐12～18小时，此后重复上述操作多次，得到所述泥料。根据本专利技术的一些实施例，所述步骤14中,将所述泥料放入挤出成型机，成型为多通道陶瓷膜或平板陶瓷膜素坯。根据本专利技术的一些实施例，所述步骤15包括：步骤151，将所述素坯置于室温环境中干燥4～12小时，所述室温环境为温度20～30℃，相对湿度50％～70％；步骤152，将室温干燥后的素坯在100～150℃下保温1～3h；步骤153，将干燥后的素坯置入真空烧结炉中进行烧成，在600～800℃下保温1～3h，此后继续加热至1300～1600℃，并保温1～3h,得到所述多通道碳化硅陶瓷膜支撑体。根据本专利技术的一些实施例，所述过渡层的制备，包括以下步骤：步骤21，按照质量比100：(30～50)：(20～40)：(10～20)称取碳化硅粉Ⅱ、聚碳硅烷、聚乙烯醇和聚丙烯酸；步骤22，将所述步骤21称取的聚碳硅烷溶于四氢呋喃液体，将聚乙烯醇溶于水，将碳化硅粉Ⅱ、聚碳硅烷的四氢呋喃溶液、聚乙烯醇的水溶液、聚丙烯酸进行混合，得到过渡层浆料，其固含量为30％～50％；步骤23，使所述过渡层浆料在所述步骤15得到的支撑体中流动10～20s，流速为0.5～2m/s，以在所述支撑体的内孔表面形成被覆层；步骤24，将内孔表面形成有被覆层的支撑体烘干后进行烧结，以在所述支撑体的内孔表面形成过渡层。根据本专利技术的一些实施例，所述步骤21中，所述碳化硅粉Ⅱ的平均粒径范围在1～10μm之间。根据本专利技术的一些实施例，所述步骤22中，将所述物料通过行星式球磨机，以碳化硅球为研磨介质，球磨5～10h小时，得到所述过渡层浆料。根据本专利技术的一些实施例，所述步骤24中，在温度1200～1400℃下保温1～3h进行所述烧结。根据本专利技术的一些实施例，所述表面膜层的制备，包括以下步骤：步骤31，按照质量比100：(40～60)：(15～25)：(5～10)称取碳化硅粉Ⅲ、聚碳硅烷、聚乙烯醇和聚丙烯酸；步骤32，将聚碳硅烷溶于四氢呋喃液体，将聚乙烯醇溶于水，然后将碳化硅粉Ⅲ、聚碳硅烷的四氢呋喃溶液、聚乙烯醇的水溶液、以及聚丙烯酸进行混合并移入行星式球磨机进行球磨，得到涂膜液，其固含量为25％～45％；步骤33，使所述涂膜液在所述步骤24得到的形成有过渡层的所述支撑体中流动10～20s，流速为0.5～2m/s，以在所述过渡层上形成致密、均匀的涂膜层；步骤34，将形成有涂膜层的支撑体烘干后进行烧结，以在所述过渡层上形成表面膜层。根据本专利技术的一些实施例，所述步骤31中，所述碳化硅粉Ⅲ的平均粒径为0.1～1μm，优选地纯度为99％以上。根据本专利技术的一些实施例，所述步骤35中，在温度1100～1300℃下保温1～3h进行所述烧结。根据本专利技术的一些实施例，所述表面膜层的膜厚为40～100μm，平均孔径为0.04～5μm。根据本专利技术的一些实施例，优选地，所述聚乙烯醇的分子量为2000，纯度为99％以上，所述聚丙烯酸的分子量为72.06，纯度为99％以上。根据本专利技术第二方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纯碳化硅陶瓷膜元件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，支撑体的制备：按照质量比100：(20～40)：(3～5)：(10～15)称取碳化硅粉Ⅰ、聚碳硅烷、结合剂和造孔剂，与水配置成泥料并成型，经过烧结得到纯碳化硅陶瓷膜支撑体，步骤2，过渡层的制备：按照质量比100：(30～50)：(20～40)：(10～20)称取碳化硅粉Ⅱ、聚碳硅烷、聚乙烯醇和聚丙烯酸，与水混合得到过渡层浆料，使所述过渡层浆料被覆在所述步骤1的纯碳化硅陶瓷膜支撑体的内孔表面以形成被覆层，此后进行真空烧结以在所述支撑体的内孔表面形成过渡层，步骤3，表面膜层的制备：按照质量比100：(40～60)：(15～25)：(5～10)称取碳化硅粉Ⅲ、聚碳硅烷、聚乙烯醇和聚丙烯酸，与水混合得到涂膜液，使所述涂膜液在所述步骤2得到的支撑体中流动，以在所述过渡层上形成涂膜层，此后进行真空烧结以在所述过渡层上形成表面膜层，其中，所述碳化硅粉Ⅰ的平均粒径＞所述碳化硅粉Ⅱ的平均粒径＞所述碳化硅粉Ⅲ的平均粒径。

【技术特征摘要】
1.一种纯碳化硅陶瓷膜元件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，支撑体的制备：按照质量比100：(20～40)：(3～5)：(10～15)称取碳化硅粉Ⅰ、聚碳硅烷、结合剂和造孔剂，与水配置成泥料并成型，经过烧结得到纯碳化硅陶瓷膜支撑体，步骤2，过渡层的制备：按照质量比100：(30～50)：(20～40)：(10～20)称取碳化硅粉Ⅱ、聚碳硅烷、聚乙烯醇和聚丙烯酸，与水混合得到过渡层浆料，使所述过渡层浆料被覆在所述步骤1的纯碳化硅陶瓷膜支撑体的内孔表面以形成被覆层，此后进行真空烧结以在所述支撑体的内孔表面形成过渡层，步骤3，表面膜层的制备：按照质量比100：(40～60)：(15～25)：(5～10)称取碳化硅粉Ⅲ、聚碳硅烷、聚乙烯醇和聚丙烯酸，与水混合得到涂膜液，使所述涂膜液在所述步骤2得到的支撑体中流动，以在所述过渡层上形成涂膜层，此后进行真空烧结以在所述过渡层上形成表面膜层，其中，所述碳化硅粉Ⅰ的平均粒径＞所述碳化硅粉Ⅱ的平均粒径＞所述碳化硅粉Ⅲ的平均粒径。2.根据权利要求1所述的多通道碳化硅陶瓷膜元件的制备方法，其特征在于，所述支撑体的制备具体包括如下步骤：步骤11，按照质量比100:(20～40)：(3～5):(10～15)称取碳化硅粉Ⅰ、聚碳硅烷、结合剂和造孔剂；步骤12，将聚碳硅烷溶于四氢呋喃液体，将所述结合剂溶于水，然后将碳化硅粉Ⅰ、聚碳硅烷的四氢呋喃溶液、造孔剂、结合剂的水溶液加入到混料桶中，混合得到均匀物料，其固含量为50％～70％；步骤13，对所述混合物料进行混练，得到泥料；步骤14，将所述泥料进行挤出成型，得到素坯；步骤15，将所述素坯干燥后进行烧成，得到纯碳化硅陶瓷膜支撑体。3.根据权利要求2所述的纯碳化硅陶瓷膜元件的制备方法，其特征在于，所述步骤11中，所述碳化硅粉Ⅰ的平均粒径范围在35～55μm之间，所述聚碳硅烷的热解碳化硅产率大于65％。4.根据权利要求2所述的纯碳化硅陶瓷膜元件的制备方法，其特征在于，所述步骤11中，所述结合剂选自羧甲基纤维素钠、羧乙基纤维素钠、甲基纤维素、聚乙烯醇、聚乙二醇、及其混合物，所述造孔剂为炭黑、活性碳粉、石墨粉或玉米粉，平均粒径为5～10μm之间。5.根据权利要求2所述的多通道碳化硅陶瓷膜元件的制备方法，其特征在于，所述步骤15包括：步骤151，将所述素坯置于室温环境中干燥4～12小时，所述室温环境为温度20～30℃，相对湿度50％～70％；步骤152，将室温干燥后的素坯在100～150℃下保温1～3h；步骤153，将干燥后的素坯置入真空烧结炉中进行烧成...

【专利技术属性】
技术研发人员：李双，田贵山，孟子霖，张茜，魏春城，周丽娟，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37