[发明专利]溶胶作为助剂制备多孔氧化铝陶瓷支撑体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多孔氧化铝陶瓷体的制备方法，特别涉及一种以溶胶作为助剂制备多孔Al₂O₃陶瓷支撑体的方法。

背景技术

多孔材料相对于致密材料具有独特的性能，在上个世纪，越来越多的领域需要多孔材料，例如在熔融态金属过滤、高温热绝缘、催化反应的支撑体、柴油机发动机废气过滤、高温高压废气过滤等领域。

无机陶瓷膜具有聚合物或金属分离膜所无法比拟的一些优点：耐高温，可实现在线消毒；化学稳定性好，能抗微生物降解。对于有机溶剂、腐蚀气体和微生物侵蚀表现良好的稳定性。机械强度高，耐高压，有良好的耐磨、耐冲刷性能；孔径分布窄，分离性能好，渗透量大且可控，可反复清洗再生，使用寿命长；可控的电学性能，较低的介电常数；较低的热导率，减少热损失。这些特性可以通过控制材料的组分及微观结构来满足不同的实际要求。气孔率、孔径分布、平均孔径以及机械强度的改变对材料性能以及应用领域影响最巨大，同时这些性能又受原材料的选取、配料、成型以及烧结等工艺影响。传统的陶瓷膜材料，在陶瓷基体上产生孔，且常以降低烧成温度提高材料的孔隙率，而陶瓷材料的孔隙率与机械强度等性能始终是相矛盾的，往往在生产和应用上顾此失彼，特别是传统生产技术的制品难以满足实际的性能要求。

无机陶瓷膜主要由多孔支撑体以及覆于其上的薄膜组成，陶瓷膜支撑体的作用主要是增加膜的机械强度，对其要求是具有较大的孔径和孔隙率，以增加流体的渗透性，减少流体传输阻力。此外，当陶瓷膜在高温气体除杂、熔融金属过滤等领域应用时，还要求支撑体具有良好的抗热震性能，以防止因剧烈的温度变化而引起材料炸裂、甚至损坏。

如今，多孔氧化铝材料广泛应用于无机膜的制备，其研究热点在于提高产品率、降低其生产成本和提高其服役性能，而支撑体材料在无机膜的性能上起着重要的作用。就目前情况看，无论是论文还是专利，制备多孔陶瓷支撑体，为满足挤压时的黏度要求，都需要加入8-20％的有机粘结剂，这样在排胶烧结时极易产生裂纹，为了减少裂纹，一般通过降低排胶速率，这样显然会增加了排胶烧结时间，延长了生产周期，效果又不是很明显。

就现状而言，陶瓷膜较高的制备成本是影响陶瓷膜应用的最关键因素之一，而陶瓷膜的制备成本主要体现在支撑体的制备成本上。就一支国产19通道、外径30毫米、长度1000毫米、通道直径4毫米，要1800元人民币，而覆上0.05微米的无机膜材料价位为2400元人民币，进口产品要4500多元人民币。如果通道数增加至40则会更高，可见支撑体成本占整个膜管件成本大于70％，究其原因是由于陶瓷支撑体绝大部分采用高纯度微米级的氧化铝陶瓷颗粒在高于1700度高温下烧结而成，成品率很低，使得烧结费用大幅度提高，以及制备周期较长等等，这些因素均导致陶瓷支撑体的制备成本居高不下。

另外，虽然多孔陶瓷膜在分离过程中具有独特优势，但在应用过程中仍然存在一些问题，其一就是分离过程中多孔陶瓷膜微观结构的稳定性，及产品的服役性能，而提供陶瓷膜强度的多孔支撑体的耐酸碱腐蚀性能直接决定了多孔陶瓷莫再使用过程中的稳定性和分离效果。由于原料、成型工艺的限制，多孔支撑体中常含有SiO₂、CaO、MgO等酸溶或碱溶性物质，在坯体烧成后，这些较多的物质就会以玻璃相的形式存在于基体晶粒边缘。这使多孔支撑体在酸碱体系中应用时存在强度随时间的延长而降低的现象，进而影响陶瓷膜的微观结构和分离性能，同时其在高温下几乎没有什么强度，大大地限制了膜元件的服役性能。因此，研究多孔陶瓷膜支撑体的强度在腐蚀性环境和高温环境中的变化规律，进而预测多孔陶瓷膜的使用性能，是多孔陶瓷膜应用过程中的一个值得重视的问题。

降低支撑体制造成本主要在于提高陶瓷骨料的烧结活性及降低烧结温度，提高成品率。目前，就如何降低多孔氧化铝陶瓷支撑体的烧结温度，普遍采用下述两种方法：

1、加入较低熔点的玻璃或氧化物作为烧结助剂，如氧化硅、氧化钠、氧化钙等杂质，在较低温度形成液相，填充在骨料颗粒之间通过产生毛细管力来促进氧化铝基体颗粒烧结，因此以该种原料制备陶瓷支撑体其烧结温度一般在1600度以下，有的甚至能够降到1200度左右，工业化生产也都采用这种方法；该方法是用较低温度下产生的液相来促进烧结，烧成品中含有较多的玻璃相，普遍存在着不耐酸碱腐蚀的问题，所以在一定程度上牺牲了支撑体的性能。