[发明专利]一种连续孔梯度陶瓷管的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种陶瓷管的制备方法，尤其是一种连续孔梯度陶瓷管的制备方 法。

背景技术

无机陶瓷膜由于其独特的优异性能，已广泛的应用于环保、医药、化工以及 食品等众多领域。孔梯度是指孔径随厚度作规则的变化，这样就既能完成分离目 的，又能达到节省动力消耗的要求。工业应用中的一般为非对称膜，即阶梯孔梯 度陶瓷，其结构由支撑层和分离层构成。连续孔梯度是指在厚度方向孔径呈连续、 非阶梯状的变化，因而是一种压力损失最低的多孔陶瓷。

目前，阶梯孔梯度陶瓷大多采用注浆浸渍、挤出浸渍两种方法。而连续孔梯 度陶瓷的制造工艺比较复杂而且困难[沈君权.孔梯度陶瓷，现代技术陶瓷.1994， 4，31～37]。通常管状陶瓷采用离心注浆成型工艺制备，近年此方法在众多的胶 态成型工艺中是颇受关注的一种。离心成型中使用的陶瓷浆料一般含有聚乙烯醇 (PVA)、聚甲基丙烯酸铵(APMA)等高分子有机物作为黏结剂，从而增加了浆料的 粘度，导致形成梯度结构所需的离心力过大，一般转速都在10000rpm左右，甚 至高达20000rpm[Steenkamp G.C et al.Centrifugal casting of ceramic membrane tubes and the coating with chitosan.Separation and Purification Technology.2001，25， 407-413]。高转速对设备和操作的要求都很高，也因此提高了梯度陶瓷的制造成 本。

在离心成型过程中，不同大小的颗粒由于受到的离心理不同，孔径由管内向 管外呈连续梯度分布，内表面孔径最小，外表面孔径最大；最小的颗粒集中在膜 管的内表面，形成膜层。因而离心成型在梯度材料的制备中具有天然的潜在优势。

凝胶注膜是由美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)Jenny 和Omatete教授于二十世纪九十年代初发明的一种新型成型技术[Omatete O O， Janney M A，Strehlow R A.Gelcasting--a new ceramic forming process.The American Ceramic Society Bulletin，1991，70(10)：1641-1647]。其工艺的主要思路 为：在分散剂的作用下将陶瓷粉料在溶剂中分散，再加入有机单体和交联剂制成 浆料，然后加入引发剂以及催化剂，改变环境条件(一般指温度条件)，使有机单 体和交联剂发生聚合反应形成高分子链，并不断交联，从而形成三维网络结构， 将陶瓷颗粒包裹在其中形成具有一定强度的陶瓷坯体，然后通过高温烧结得到陶 瓷。

凝胶注模作为一种新颖的、先进、灵活的制备技术，有很强的适用性和实用 性，具有以下几个显著优点：

(1)通用性好，适用陶瓷粉体很广；

(2)成型各种复杂形状和尺寸的陶瓷零件；

(3)成型坯体组分均匀，显微结构均匀，缺陷少；

(4)凝胶注模成型浆料固相含量高(固相体积分数＞50％)，坯体干燥与烧结收 缩小，可以实现净尺寸成型；

(5)该工艺对模具也无特殊要求，模具可以是金属、玻璃和塑料等；

(6)成型坯体的强度高，干燥后的坯体弯曲强度一般达20～40MPa，可直接进 行机械加工；

(7)坯体内有机物含量较低，防止后续过程释放过多的有机物而造成环境污 染；

(8)成型操作简单及所需设备简单，成本低，可批量生产。

中国专利ZL02144131.6公开的薄膜陶瓷管的制备方法及离心成型机。其成 型是将主料为α-氧化铝的配料细粉研磨后，投入凝胶注模液中，边搅拌边抽真空， 待均匀后得到悬浮浆料。然后将悬浮浆料注入离心成型机的料筒中进行凝胶离心 成型，成型后的干坯经干燥烧结后得到所需要的陶瓷薄壁管。配料的过程中采用 球磨机进行球磨。所得陶瓷管的密度为3.89-3.92g/m³。试验中用到的凝胶单体丙 烯酰胺是一种神经毒素，毒性较大，在工业应用中可能受到一定程度的限制。