一种基于粘结剂喷射的梯度孔结构陶瓷膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种基于粘结剂喷射的梯度孔结构陶瓷膜的制备方法，包括以下步骤：(1)对支撑层粉层、中间层粉层和功能层粉层分别逐层进行粘结墨水喷射，制备得到陶瓷膜坯体；(2)将陶瓷膜坯体加热烧结，制备得到所述的基于粘结剂喷射的梯度孔结构陶瓷膜；所述的支撑层粉层的厚度为750

【技术实现步骤摘要】
一种基于粘结剂喷射的梯度孔结构陶瓷膜及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及膜分离
，具体涉及一种基于粘结剂喷射的梯度孔 结构陶瓷膜及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]陶瓷膜相比有机膜来说，具有耐高温高压、抗化学腐蚀、易清洗、使 用寿命较长等优点，已广泛应用于水处理与空气过滤等领域。常见的陶瓷 膜多呈非对称结构，包含底部的支撑层、中间过渡层与顶部的分离层。但 在实际应用中发现，陶瓷膜也存在孔径难控制，衰减快，易堵塞，难再生 等特点，且常规方法制备陶瓷膜需经多次“干燥
‑
烧结”工艺，过程繁杂 费时，成本较高。
[0003]公开号为CN110193292A的中国专利文献公开了一种复合陶瓷膜，包 括陶瓷支撑层和陶瓷过渡层、分离层，所述陶瓷过渡层具有相对设置的两 个表面，其一表面与所述陶瓷支撑层层叠结合，另一表面与所述分离层层 叠结合；其中，所述陶瓷支撑层和陶瓷过渡层至少一层是由包括疏浚底泥 烧结形成。疏浚底泥能够赋予基体材料优异的机械性能和丰富的微孔结 构，变废为宝。但该复合陶瓷膜制备过程中需要进行两次烧结处理，工艺 较为繁琐。
[0004]公开号为CN104174298A的中国专利文献公开了一种净水用梯度碳 化硅陶瓷膜，该专利技术采用挤出成型法制备支撑层，采用浸渍涂敷法制备中 间层和分离层，制得的陶瓷膜连通孔隙率高、气孔分布呈梯度，纯水通量 大于5m3/(m
2 h)，但整个制膜过程需要经历两次干燥、三次烧结步骤，工 艺复杂、耗时长。
[0005]增材制造技术(3D打印技术)融合了计算机辅助设计、材料加工与 成型技术，以数字模型文件为基础，按照挤压、光固化、烧结、喷射等方 式“自下而上”进行材料的逐层堆积，实现复杂结构实体的快速直接成型。 粘结剂喷射是一种喷射液体粘结剂粘结粉末实现完整成形体构建的增材 制造技术，可利用压辊将粉末平铺在工作台上，喷头将液体粘结剂按照加 工件截面形状进行喷射，下降工作台开始新一层的打印，重复上述过程直 至打印完成。
[0006]公开号为CN106215704A的中国专利文献公开了一种组合式平板蜂 窝陶瓷膜的制备方法，首先利用挤出成型法制备平板状蜂窝陶瓷膜单元的 支撑体；再利用喷墨打印法制备平板状蜂窝陶瓷膜单元的分离膜层；该组 合式平板蜂窝陶瓷膜由平板状蜂窝陶瓷膜单元拼合构成。在喷涂过程中， 喷头与平板陶瓷膜支撑体不直接接触，平板陶瓷膜支撑体的形状和缺陷不 会影响分离膜层的性质，但该制膜过程需要经历两次烧结步骤，工艺较为 复杂。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供了一种基于粘结剂喷射的梯度孔结构陶瓷膜的制备方法， 该方法原
料利用率高、能耗低，一次成型得到陶瓷膜坯体后烧结即可得到 具有梯度孔结构的陶瓷膜，避免了多次“干燥
‑
烧结”的繁琐工艺程序，制备 得到的具有梯度孔径结构的陶瓷膜在水处理或空气过滤领域具有广泛的 应用前景。
[0008]具体采用的技术方案如下：
[0009]一种基于粘结剂喷射的梯度孔结构陶瓷膜的制备方法，包括以下步 骤：
[0010](1)通过3D打印技术，对支撑层粉层、中间层粉层和功能层粉层 分别逐层进行粘结墨水喷射，制备得到陶瓷膜坯体；所述的陶瓷膜坯体包 括支撑层、中间层和功能层；
[0011](2)将陶瓷膜坯体加热烧结，制备得到所述的基于粘结剂喷射的梯 度孔结构陶瓷膜；
[0012]所述的支撑层粉层的厚度为750
‑
2500μm，包括陶瓷粉末、固体粘结 剂粉末和烧结助剂粉末；所述的中间层粉层的厚度为25
‑
150μm，包括陶 瓷粉末和固体粘结剂粉末；所述的功能层粉层的厚度为1.5
‑
10μm，包括 陶瓷粉末和固体粘结剂粉末；
[0013]其中，支撑层粉层中陶瓷粉末的平均粒径＞中间层粉层中陶瓷粉末的 平均粒径＞功能层粉层中陶瓷粉末的平均粒径。
[0014]本专利技术通过控制原料的平均粒径调节膜的孔径大小，并控制铺粉厚度 以调节膜的渗透性和分离选择性，不同孔径与厚度的膜结构的复配使制备 得到的陶瓷膜在水处理和空气过滤方面应用效果优异。
[0015]优选的，所述的陶瓷粉末为氧化铝、氧化锆、氧化钛、二氧化硅中的 至少一种；支撑层粉层中的陶瓷粉末平均粒径为50
‑
100μm；中间层粉层 中的陶瓷粉末平均粒径为5
‑
10μm；功能层粉层中的陶瓷粉末平均粒径为 0.5
‑
2μm。
[0016]优选的，所述的固体粘结剂粉末为聚乙烯醇、麦芽糊精、羧甲基纤维 素、泊洛沙姆F127中的至少一种；支撑层粉层中的固体粘结剂粉末平均 粒径为50
‑
100μm；中间层粉层中的固体粘结剂粉末平均粒径为5
‑
10μm； 功能层粉层中的固体粘结剂粉末平均粒径为0.5
‑
2μm。
[0017]烧结助剂的加入能够在降低烧结温度的同时保证支撑层的机械强度， 使支撑层的烧结温度与另外两层的烧结温度相匹配以促进烧结过程，保证 该梯度孔结构陶瓷膜的成功制备。
[0018]所述的烧结助剂粉末为高岭土、氧化镁、氧化钙、亚微米级氧化铝、 亚微米级氧化钛中的至少一种；其中，高岭土、氧化镁和氧化钙的平均粒 径为50
‑
100μm；亚微米级氧化铝和亚微米级氧化钛的平均粒径为50
‑
200 nm。
[0019]优选的，所述的支撑层粉层中，陶瓷粉末、固体粘结剂粉末和烧结助 剂粉末的质量比为97
‑
99：0.5
‑
2.0：0.5
‑
1.0。
[0020]优选的，所述的中间层粉层和功能层粉层中，陶瓷粉末和固体粘结剂 粉末的质量比为98
‑
99.5：0.5
‑
2.0。
[0021]支撑层、中间层和功能层的主要成分是陶瓷粉末，固体粘结剂粉末、 烧结助剂粉末均为起一定作用的添加剂，在最后的烧结过程中被去除，为 了保证陶瓷膜本体的机械强度，支撑层、中间层和功能层中各组分的质量 比优选为上述范围。
[0022]优选的，步骤(1)中，所述的粘结墨水为聚乙烯吡咯烷酮水溶液， 聚乙烯吡咯烷酮水溶液的浓度为5％
‑
20％。粘结墨水的稳定性、流变特性、 粘度等参数对3D打印过程至关
重要，为了同时满足粘结效果优异、渗透 性好且不堵塞针头，聚乙烯吡咯烷酮水溶液的浓度优选为上述范围，此外， 聚乙烯吡咯烷酮水溶液具有良好的粘结性、无毒性。
[0023]所述的陶瓷膜坯体的制备过程具体包括以下步骤：
[0024](i)将平均粒径为50
‑
100μm的陶瓷粉末、平均粒径为50
‑
100μm的 固体粘结剂粉末和烧结助剂粉末混合，利用辊筒在粉床上铺粉，得到支撑 层粉层；利用3D打印技术将粘结墨水聚乙烯吡咯烷酮水溶液喷射本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于粘结剂喷射的梯度孔结构陶瓷膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)通过3D打印技术，对支撑层粉层、中间层粉层和功能层粉层分别逐层进行粘结墨水喷射，制备得到陶瓷膜坯体；所述的陶瓷膜坯体包括支撑层、中间层和功能层；(2)将陶瓷膜坯体加热烧结，制备得到所述的基于粘结剂喷射的梯度孔结构陶瓷膜；所述的支撑层粉层的厚度为750
‑
2500μm，包括陶瓷粉末、固体粘结剂粉末和烧结助剂粉末；所述的中间层粉层的厚度为25
‑
150μm，包括陶瓷粉末和固体粘结剂粉末；所述的功能层粉层的厚度为1.5
‑
10μm，包括陶瓷粉末和固体粘结剂粉末；其中，支撑层粉层中陶瓷粉末的平均粒径＞中间层粉层中陶瓷粉末的平均粒径＞功能层粉层中陶瓷粉末的平均粒径。2.根据权利要求1所述的基于粘结剂喷射的梯度孔结构陶瓷膜的制备方法，其特征在于，所述的陶瓷粉末为氧化铝、氧化锆、氧化钛、二氧化硅中的至少一种；支撑层粉层中的陶瓷粉末平均粒径为50
‑
100μm；中间层粉层中的陶瓷粉末平均粒径为5
‑
10μm；功能层粉层中陶瓷粉末平均粒径为0.5
‑
2μm。3.根据权利要求1所述的基于粘结剂喷射的梯度孔结构陶瓷膜的制备方法，其特征在于，所述的固体粘结剂粉末为聚乙烯醇、麦芽糊精、羧甲基纤维素、泊洛沙姆F127中的至少一种；支撑层粉层中的固体粘结剂粉末平均粒径为50
‑
100μm；中间层粉层中的固体粘结剂粉末平均粒径为5
‑
10μm；功能层粉层中的固体粘结剂粉末平均粒径为0.5
‑
2μm。4.根据权利要求1所述的基于粘...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚之侃，赵海洋，张林，李鸽，苏辉，李鑫，
申请(专利权)人：中国人民解放军九六九一一部队，
类型：发明
国别省市：