一种基于墨水直写的三层结构陶瓷膜及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种基于墨水直写的三层结构陶瓷膜的制备方法，包括以下步骤：(1)通过3D直写打印技术利用支撑层浆料、中间层浆料和功能层浆料制备得到三层结构陶瓷膜坯体；(2)将三层结构陶瓷膜坯体加热烧结，制备得到所述的基于墨水直写的三层结构陶瓷膜；支撑层浆料在3D直写打印过程中的挤出厚度为100

【技术实现步骤摘要】
一种基于墨水直写的三层结构陶瓷膜及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于膜分离
，具体涉及一种基于墨水直写的三层结构 陶瓷膜及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]陶瓷膜主要由氧化铝、氧化钛、氧化锆、二氧化硅等无机材料制备得 到，陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐高温、耐氧化、耐腐蚀、化学性能 稳定等特点，在航空航天、生物医疗、电学、污水处理、气体净化、食品 加工等领域有着广泛的应用。陶瓷膜多呈非对称结构，由底部支撑层、中 间过渡层与顶部分离层三部分组成。其中，支撑层一般采用压制成型法、 流延成型法、挤出成型法、注浆成型法等方法制备，中间层和分离层一般 采用浸渍提拉法、溶胶凝胶法、喷涂法、模板剂法、化学气相沉积法等方 法制备。传统的陶瓷膜成型技术面临制造周期长、生产成本高、工艺条件 较为苛刻等局限。
[0003]公开号为CN114471511A的中国专利文献公开了一种高通量、可见光 响应的纳米线催化陶瓷膜的制备方法，该方法首先通过对传统的水热法进 行改进，并掺杂过渡金属离子合成获得可见光响应的二氧化钛纳米线；随 后以管状或平板陶瓷膜为载体，通过真空抽滤或喷涂工艺制备得到该纳米 线催化陶瓷膜，该纳米线陶瓷膜可应用于处理含有机污染物的废水，但制 备方法复杂。
[0004]3D打印技术具有无需原坯和模具、生产周期短、制造成本低、制造 精度高、实现复杂结构产品的直接成型等特点，且成型材料种类广泛，包 括氧化锆、氧化铝、碳化硅、碳硅化钛、陶瓷前驱体、陶瓷基复合材料等。 已逐渐应用于分离膜制备及膜组件制备。
[0005]公开号为CN106747544A的中国专利文献公开了一种利用3D打印技 术制备的陶瓷膜及其制备方法，该专利技术以蛭石、石英、硅酸钙、活性炭、 沸石、凹凸棒土等为原料，采用激光扫描成型法制备了可吸收VOCs等有 毒气体的陶瓷膜。该专利技术方法仅可用于单层结构陶瓷膜的制备，对原料粉 体要求高，所用激光点的温度在1500℃以上，制造成本较高，难以实现 规模化生产。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供了一种基于墨水直写的三层结构陶瓷膜的制备方法，制备 工艺简单温和，原料无毒无害，能耗低，陶瓷膜坯体成型后进行一次烧结 即可得到产品陶瓷膜，避免多次“干燥
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烧结”的繁琐工艺程序，可用于 制备分离性能可调的三层结构陶瓷膜。
[0007]具体采用的技术方案如下：
[0008]一种基于墨水直写的三层结构陶瓷膜的制备方法，包括以下步骤：
[0009](1)通过3D直写打印技术利用支撑层浆料、中间层浆料和功能层 浆料制备得到包括支撑层、中间层和功能层的三层结构陶瓷膜坯体；
[0010](2)将三层结构陶瓷膜坯体加热烧结，制备得到所述的基于墨水直 写的三层结构陶瓷膜；
[0011]支撑层浆料在3D直写打印过程中的挤出厚度为100
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3000μm，由溶 剂、陶瓷粉末、粘结剂粉末、分散剂粉末、润滑剂和烧结助剂混合得到；
[0012]中间层浆料在3D直写打印过程中的挤出厚度为50
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200μm，由溶剂、 陶瓷粉末、粘结剂粉末、分散剂粉末和润滑剂混合得到；
[0013]功能层浆料在3D直写打印过程中的挤出厚度为2.5
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20μm；由溶剂、 陶瓷粉末、粘结剂粉末、分散剂粉末和润滑剂混合得到；
[0014]其中，支撑层浆料中的陶瓷粉末的平均粒径＞中间层浆料中的陶瓷粉 末的平均粒径＞功能层浆料中的陶瓷粉末的平均粒径。
[0015]优选的，支撑层浆料中的陶瓷粉末、粘结剂粉末和分散剂粉末的平均 粒径均为50
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100μm；中间层浆料中的陶瓷粉末、粘结剂粉末和分散剂粉 末的平均粒径均为5
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10μm；功能层浆料中的陶瓷粉末、粘结剂粉末和分 散剂粉末的平均粒径均为0.5
‑
2μm。
[0016]为了兼顾陶瓷膜的分离效果和机械性能，本专利技术采用三层结构陶瓷 膜，其中，支撑层主要起支撑作用，提供膜的机械强度；中间层起过渡作 用，避免功能层粉末渗透进入支撑层；功能层起实际的分离作用；该三层 结构陶瓷膜主要基于尺寸筛分原理，通过控制原料的平均粒径调节膜的孔 径大小，并控制各层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。
[0017]支撑层、中间层和功能层的主要成分均为陶瓷粉末，粘结剂粉末、分 散剂粉末、润滑剂和烧结助剂均为起一定作用的添加剂，在最后的烧结过 程中会被去除，为了保证陶瓷膜本体的机械强度，添加剂含量不宜过高。
[0018]优选的，所述的支撑层浆料中，以质量百分比计，包括溶剂37
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56.5％、 陶瓷粉末40
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55％、粘结剂粉末0.5
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2％、分散剂粉末0.5
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1％、润滑剂2
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4％ 和烧结助剂0.5
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1％。为了保证支撑层的机械强度，支撑层的烧结温度会相 对更高，加入烧结助剂的目的是为了降低烧结温度，与其他两层的烧结温 度相匹配，促进膜的整体烧结过程。
[0019]优选的，所述的中间层浆料和功能层浆料中，以质量百分比计，包括 溶剂38
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57％、陶瓷粉末40
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55％、粘结剂粉末0.5
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2％、分散剂粉末0.5
‑
1％ 和润滑剂2
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4％。
[0020]优选的，陶瓷粉末为氧化铝、氧化锆、氧化钛、二氧化硅中至少一种。
[0021]优选的，粘结剂粉末为聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、海藻酸钠、羧甲 基纤维素中至少一种。
[0022]分散剂粉末为聚乙二醇、聚乙烯亚胺、多偏磷酸钠、聚丙烯酸铵中至 少一种。
[0023]优选的，所述的润滑剂为丙三醇；所述的溶剂为水。
[0024]所述的烧结助剂为高岭土、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
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100μm；亚微米级氧化铝和亚微米级氧化钛的平均粒径为50
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200nm。
[0025]所述的三层结构陶瓷膜坯体的制备过程具体包括以下步骤：
[0026](i)将溶剂、陶瓷粉末、粘结剂粉末、分散剂粉末、润滑剂和烧结 助剂混合，得到支撑层浆料；将支撑层浆料3D打印直写挤出，得到支撑 层前体，静置0
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2h，得到支撑层坯体；
[0027](ii)将溶剂、陶瓷粉末、粘结剂粉末、分散剂粉末和润滑剂混合， 得到中间层浆料；将中间层浆料在支撑层坯体上3D打印直写挤出，得到 中间层与支撑层复合前体，静置
0
‑
2h，得到中间层与支撑层复合坯体；
[0028](iii)将溶剂、陶瓷粉末、粘结剂粉末、分散剂粉末和润滑剂混合，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于墨水直写的三层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直写打印技术利用支撑层浆料、中间层浆料和功能层浆料制备得到包括支撑层、中间层和功能层的三层结构陶瓷膜坯体；(2)将三层结构陶瓷膜坯体加热烧结，制备得到所述的基于墨水直写的三层结构陶瓷膜；支撑层浆料在3D直写打印过程中的挤出厚度为100
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3000μm，由溶剂、陶瓷粉末、粘结剂粉末、分散剂粉末、润滑剂和烧结助剂混合得到；中间层浆料在3D直写打印过程中的挤出厚度为50
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200μm，由溶剂、陶瓷粉末、粘结剂粉末、分散剂粉末和润滑剂混合得到；功能层浆料在3D直写打印过程中的挤出厚度为2.5
‑
20μm；由溶剂、陶瓷粉末、粘结剂粉末、分散剂粉末和润滑剂混合得到；其中，支撑层浆料中的陶瓷粉末的平均粒径＞中间层浆料中的陶瓷粉末的平均粒径＞功能层浆料中的陶瓷粉末的平均粒径。2.根据权利要求1所述的基于墨水直写的三层结构陶瓷膜的制备方法，其特征在于，支撑层浆料中的陶瓷粉末、粘结剂粉末和分散剂粉末的平均粒径均为50
‑
100μm；中间层浆料中的陶瓷粉末、粘结剂粉末和分散剂粉末的平均粒径均为5
‑
10μm；功能层浆料中的陶瓷粉末、粘结剂粉末和分散剂粉末的平均粒径均为0.5
‑
2μm。3.根据权利要求1所述的基于墨水直写的三层结构陶瓷膜的制备方法，其特征在于，所述的支撑层浆料中，以质量百分比计，包括溶剂37
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56.5％、陶瓷粉末40
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55％、粘结剂粉末0.5
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2％、分散剂粉末0.5
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1％、润滑剂2
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【专利技术属性】
技术研发人员：姚之侃，赵海洋，张林，李鸽，李鑫，苏辉，
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：