一种多孔不锈钢—陶瓷复合膜的制备工艺制造技术

本发明专利技术涉及多孔不锈钢－陶瓷复合膜的制备工艺。在陶瓷层（１）与不锈钢基体（３）之间添加一层金属粉末（２），与陶瓷层（１）高温共烧，它既可起到粘合剂的作用，又可以修补基体表面的缺陷，同时不影响膜过滤精度。本发明专利技术所针对的基体材料（３）也可以是已成型但未经烧结的坯体，这样可直接将陶瓷层（１）涂在坯体表面并将两部分一步烧结而成；作为粘合剂的金属粉末（２）既可以是单金属亦可以是不锈钢合金。将不锈钢粉末和陶瓷粉末分别与添加剂混匀制得悬浮液，在基体表面先后制备金属粉末涂层和陶瓷涂层，脱除有机物后，在真空或保护性气氛中６００～１４００℃烧结。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种复合膜材料的制备工艺；尤其涉及一种多孔不锈钢一陶瓷复 合膜材料的制备工艺。
技术介绍
-膜分离技术应用领域的不断拓展对膜材料的生产提出了更高要求。根据膜材 料的不同，膜可分为高分子膜和无机膜两大类，其中高分子膜的应用最为广泛， 但也有突出的问题，如使用过程中受操作压力和使用温度的限制比较大、化学稳 定性差、难以清洗和灭菌并易造成二次污染等，这些正是无机膜的优势，其市场 份额正在快速增长。无机膜主要是陶瓷膜和不锈钢膜两大类。相对而言，陶瓷膜 具有更优异的化学稳定性，孔径甚至可小到纳米级，在微滤、超滤、纳滤领域均 得到应用。但陶瓷属于脆性材料，而且在高温条件下工作时不好密封。多孔不锈 钢则在这方面具有突出的优势。多孔不锈钢膜一般至少由两部分组成，一是具有高孔隙率、大孔径的支撑体； 二是薄的细孔层，又称孔径控制层，二者之间有时还需要过渡层。其制备过程一 般是将较细的不锈钢粉体与适当介质混合形成悬浮液并涂敷在支撑体上，干燥 后在一定温度下脱脂，最后经高温烧结而成。烧结过程中颗粒相互接触部分被烧 结在一起，颗粒间的孔隙形成孔道。影响膜孔径分布的因素有粉体颗粒大小、颗 粒形状、粒径分布、添加剂、烧结温度、升温程序、保温时间等。为制得理想的 孔径控制层，不锈钢粉体的粒径应均匀，最好为规则球形。与陶瓷膜不同，多孔 不锈钢膜的孔径很难像陶瓷膜一样縮小到l微米以下，因为① 难以制备粒度均匀的纳米级不锈钢粉体。不锈钢由于其特殊的组成和晶 体结构使其具有任何单金属无法比拟的优点，也正是由于这个原因，其 粒径很难再细，否则不锈钢的组成就会发生偏移，性能也将发生变化；② 微细粉体的表面能非常大，烧结时收縮力大，膜层易起皮、开裂，造成 成品率低。③用于烧制孔径控制层的不锈钢粉体越细，则价格越高、耐腐蚀性越差、 对使用环境的要求也越高。虽然许多公司和研究机构都声称拥有超细孔不锈钢的生产技术，但由于产品 成品率低，成本极高，在世界市场上的此类产品非常有限，且主要用于科学研究。 为了兼有不锈钢膜高机械强度以及陶瓷膜高分离精度的优点，人们提出了多孔不 锈钢——陶瓷复合膜的产品概念，并已取得了进展。它是以多孔不锈钢为基体、 多孔陶瓷为膜层的复合材料，其中最为关键的技术环节是在多孔不锈钢表面制备 陶瓷涂层。理想的涂层应满足以下要求① 陶瓷涂层完整，不存在裂缝等缺陷；② 具有高的孔隙度以实现高的膜通量。◎有良好的物理强度。这既是指陶瓷涂层和多孔不锈钢集体之间有足够的 附着力，同时涂层材料本身也不能过于酥松，否则陶瓷层在使用过程中 易损坏。 能制备较大面积的涂层，以便于商业应用。在以上要求中，陶瓷层强度的要求一般是最难以实现的。 一方面，陶瓷和多 孔不锈钢是完全不同性质的材料，特别是二者有显著不同的热膨胀系数。常用的陶瓷层材料为八1203、 Ti02、 Si02、 Zr02、 YSZ (Zr固Y謹0》等，陶瓷 层的制备方法很多，如溶胶-凝胶法、热喷涂法(thermal spray)、磁控溅射法 (magnetron sputtering)、、湿私、喷涂、法(wet powder spray )、刷涂、法(brush coating) 等。溶胶一凝胶法采用了一种独特的pH值诱导勃姆石凝胶化法使25%苄基三甲基氢氧化铵的甲醇溶液流过多孔不锈钢基体，以充满其孔道并在其表面形成一层液膜，使甲醇自然挥发。将勃姆石溶胶快速漫 过不锈钢表面产生一层溶胶，苄基三甲基氢氧化铵的碱性可使其在约20秒后形成 凝胶。湿粉喷涂法是将氧化物粒子与有机溶剂、添加剂等混合制备成悬 浮液，将悬浮液喷涂于已多孔不锈钢表面，再进行烧结。溶胶一凝胶法和湿粉喷 涂法制备的陶瓷薄层孔径均匀，缺陷较少，但往往附着力差、易脱落。热喷涂法是通过热源将陶瓷粉体加热至熔融或半熔融状态，喷涂至基体上形 成涂层。常用的热喷涂技术有高速火焰喷涂(又称超音速氧燃料喷涂，high velocity oxygen fuel spray)、爆震喷涂(detonation spray)、电弧喷涂(electrical arc spray)、等离子喷涂(plasma spray)等。热喷涂法操作简便，最适合于制备大面 积涂层，涂层附着力强，但缺点是涂层往往过于致密、通量偏低。Gaddis和Jemigan 等专利技术了一种填孔法，不是在基体表面进行陶瓷涂层，而 是将氧化物粉末渗入基体表面一定深度的孔隙中，但是，这样的复合膜通量难免 会下降。总之，现有的诸多方法或是产品性能难以达到要求，或是操作繁琐、成 本太高、难以工业化。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是为了改进现有在多孔不锈钢一陶瓷复合膜材 料制备过程陶瓷层附着力差等问题而提出了一种界面金属粉末烧结粘合工艺制 备不锈钢一陶瓷复合膜材料的工艺。本专利技术的技术方案为不锈钢基体与陶瓷层由于材料性质迥然不同，二者缺 乏亲和力。本专利技术的解决思路是在二者之间添加一层粘合剂，使它能够对陶瓷层 和多孔不锈钢基体都有较好的结合力。常规的有机和无机粘合剂很难做到既满足 复合膜的制备条件(如高温)、又不影响复合膜的过滤性能。因此本专利技术在多孔 不锈钢基体上制备陶瓷层之前，先涂一层金属粉末作为粘合剂，如图l所示。金 属粉末层与多孔不锈钢基体同为金属材料，固然可通过相互扩散牢固地烧结在一 起，金属粉在与陶瓷粉高温共烧时也会产生良好的结合。这是因为金属粉体比不锈钢基体拥有更高的比表面，与陶瓷粉的接触面积大大提高，在合适的焙烧温度 下，金属粉体表面产生的初始液相可与陶瓷层之间产生浸润效果。本专利中所采 用的金属粉末层还可以起到过渡层的作用，可修补多孔不锈钢基体表面、改善其 表面平整度，有利于制备无缺陷的陶瓷层。基体的性能特别是表面参数对陶瓷层 的制备至关重要。 一般而言，多孔材料的"孔径"往往是指孔道内最细处的尺寸， 即孔道允许透过的尺寸。但是，陶瓷层是涂在基体的表面，也就是孔口处，而孔 口尺寸可能远不止于此。另外，多孔不锈钢表面难免会有裂纹、超大孔等缺陷。 选用较大孔径(这也意味着其表面孔径更大)的不锈钢基体时，要直接在其表面 制备无缺陷的陶瓷膜、特别是制备细孔陶瓷膜时难度太大。 一般的多孔不锈钢表 面状况很难符合制膜要求，而超细孔不锈钢成本极高、市面上此类产品十分有限， 再以此开发复合膜产品难免失去实用价值。本专利技术的具体技术方案为一种多孔不锈钢一陶瓷复合膜材料的制备工艺，其具体步骤为A.金属粉末 粘结层的制备将金属粉体与添加剂混合形成悬浮液，涂覆于多孔不锈钢基体表 面，干燥备用，得金属粉末粘接层；B.多孔陶瓷层的制备将陶瓷粉体与添加剂 混合制成悬浮液，将含有陶瓷粉体的悬浮液涂覆于上述金属粉末粘接层上，得复 合膜坯体；C.将步骤B所制得的复合膜坯体烧结后，金属粉末层将基体与陶瓷层 结合在一起，形成复合膜。可用作粘合剂的金属粉体既可以是单金属，优选镍、铁、铜粉；也可为合金， 优选不锈钢，不锈钢粉的种类很多，如316、304、310等等;金属粉粒径为l~50nm， 金属粉末粘结层厚为20~500nm。原料陶瓷粉种类繁多，优选Ti02、 A1203、 Zr02、 Si02、 YSZ中的任意一种；陶瓷粉体的粒度为0.01~5nm，优选0.1~5pm，陶瓷 层厚度为5-20(^本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种不锈钢－陶瓷复合膜材料的制备工艺，其具体步骤为：Ａ．金属粉末粘结层的制备：将金属粉体与添加剂混合形成悬浮液，涂覆于多孔不锈钢基体表面，干燥备用，得金属粉末粘结层；Ｂ．多孔陶瓷层的制备：将陶瓷粉体与添加剂混合制成悬浮液，将含有陶瓷粉体的悬浮液涂覆于上述金属粉末粘接层上，得复合膜坯体；Ｃ．复合膜坯体烧结后，金属粉末层将基体与陶瓷层结合在一起，制得复合膜材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄彦，俞健，舒世立，胡小娟，范菁菁，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]