[发明专利]一种制备多通道陶瓷中空纤维膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备多通道陶瓷中空纤维膜的方法，属无机膜制备领域。发明旨在提高中空纤维机械性能，解决其在应用过程中易脆性。

背景技术

陶瓷膜具有优异化学稳定性、耐高温、孔径分布窄等特点，被广泛用于化工、石油化工、食品工业、环境工程等领域。陶瓷中空纤维膜不仅具有传统陶瓷膜的优点，而且具有高达3000m²/m³的装填密度(MarcelMulder.著李琳，译膜技术基本原理)，是管式膜、平板膜的10倍，因而分离效率得到显著的提高，可以将其用于膜分离领域的支撑体、微滤工艺、膜反应器中催化剂载体。

有关无机中空纤维膜的报道首先见于20世纪90年代初，Lee和Smid以氧化铝为原料，分别采用干/湿法纺丝和熔融法纺丝制备中空纤维膜。随着中空纤维膜制备技术成熟，不同材料、不同微结构的中空纤维膜被制备出来。随着中空纤维膜应用规模扩大，其低强度、易脆性问题日益突显，表现为：长期在有水/有机溶剂体系中使用存在的强度失效隐患。因此，制备出高机械强度、高通量陶瓷中空纤维膜是大规模工业化应用前急需解决的问题。Li等人(Li K et al.Desalination,1992006360–362)试图提高中空纤维强度，但制备的中空纤维膜断裂负荷始终维持在3N左右。一些材料学领域专家也在优化陶瓷的机械性能，使陶瓷在应用过程中的可靠性提高。一些研究者通过3个途径来改善陶瓷的强度和韧性：改善粉体尺寸（CN1472448A），通过小颗粒粉体在主晶界的钉扎效应来优化陶瓷机械性能；YSZ相变增韧（CN102850042A），通过稳定剂氧化钇与氧化锆形成固溶体，在室温下形成四方相晶型，晶形转变形成的内应力可以消耗外应力，提高陶瓷机械性能；晶须增韧，通过晶须的拔出、断裂以及增加微裂纹扩展路径来消耗外应力，提高陶瓷机械性能。但陶瓷中空纤维膜非对称结构中的指状孔、多孔结构（旨在提高中空纤维膜通量），成为提升中空纤维膜强度、韧性的最大缺陷。因此，这些方案在解决脆性，低强度问题时都不理想。因此，制备高机械强度陶瓷中空纤维膜成为大规模应用前必须解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了改进现有技术的不足而提供一种制备多通道陶瓷中空纤维的方法。

本发明的技术方案是：一种制备多通道陶瓷中空纤维的方法，其具体步骤如下：

(1)铸膜液配制：将陶瓷粉体、高分子聚合物、有机溶剂、分散剂搅拌均匀形成均一稳定的铸膜液；其中陶瓷粉体占铸膜液总质量的55～65%，高分子聚合物占铸膜液总质量的4～8%，有机溶剂占铸膜液总质量的27～38%，分散剂占铸膜液总质量的0.6～1.6%；

(2)真空脱泡：在真空度下脱去铸膜液中气泡；

(3)多通道陶瓷中空纤维膜成型：铸膜液在气压的驱动下通过多通道中空纤维模具，经过一段空气间距，在内外凝固浴中进行相转化，形成多通道陶瓷中空纤维膜生坯；

(4)干燥：在温度为40℃～60℃下，将多通道陶瓷中空纤维膜生坯晾干；

(5)高温烧结：多通道陶瓷中空纤维膜生坯置于炉中程序升温，进行低温排胶、高温熔融处理烧结制得多通道陶瓷中空纤维膜。

优选所述的陶瓷粉体为氧化钇稳定氧化锆（YSZ）、氧化铝、氧化钛中的一种或者两种；粉体的平均粒径范围为0.05～4μm；高分子聚合物为聚醚砜、聚砜或偏氟乙烯均聚物中的一种或两种；有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或三氯甲烷中的一种或两种；分散剂为聚乙烯吡咯烷酮、乙基纤维素、聚乙二醇中的一种或两种。

优选外凝固浴为水、乙醇或N-甲基吡咯烷酮中的一种或者两种；内凝固浴为去离子水、二甲基乙酰胺或N-甲基吡咯烷酮中的一种或者两种；内凝固浴和外凝固浴的温度均为15～35℃；内凝固浴流量为40～60ml/min。

优选真空脱泡的真空度为0.1～0.2MPa，脱泡时间为1～2h。优选空气间距为10～40cm；驱动气压为0.1～0.4MPa。

优选程序升温是先以1～2℃/min的升温速率加热到500～600℃，再以3～5℃/min的升温速率加热到1400～1600℃，保温4～8h，然后以3～5℃/min冷却到500～600℃，最后自然冷却。