[发明专利]一种形貌可控高孔隙率多孔陶瓷膜支撑体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高孔隙率多孔陶瓷膜支撑体及其制备方法，尤其是一种形貌可控的高孔隙率陶瓷膜支撑体及其制备方法。

背景技术

多孔陶瓷膜由于具有耐高温、化学稳定性好、过滤效率高、易于清洗再生等优点而被日益广泛的应用于石油化工、食品、医药、冶金、生物工程等行业，特别是在人类赖以生存的能源、水资源与环境等领域发挥着关键性作用。

多孔陶瓷膜可以看作是一种多孔梯度材料，由多孔陶瓷膜支撑体、中间层和膜层三部分组成，其中支撑体是多孔陶瓷膜制备与应用的基础，其作用是为膜层提供足够的机械强度，同时也要具有较高的渗透率，这对膜层的制备及膜的使用稳定性都有着重要的影响。作为膜的载体，多孔陶瓷膜支撑体性能应该满足一定要求，主要包括：(1)具有高的渗透率，对流体的阻力要小；(2)具有良好的热稳定性、化学稳定性和高的机械强度；(3)高的孔比表面积；(4)较低的表面粗糙度及良好的润湿性；与膜层的热膨胀系数相匹配等。

目前国内外研究较多的是多孔陶瓷膜层，而对于多孔陶瓷膜支撑体，出于商业利益及技术保密等原因，国内外相关研究报导较少。传统多孔陶瓷膜支撑体常用的成型方法有干压成型法、挤出成型法、流延成型法、注浆成型法等。目前，采用传统的方法制备的支撑体普遍孔隙率不高，在30～40%之间，这大大制约了支撑体纯水通量的提高。造孔剂法及纤维搭建法是当前制备高渗透性陶瓷膜的主流技术。造孔剂法通过加入造孔剂以使孔数量扩大化，从而提高陶瓷膜孔隙率。模板剂法是一类特殊的造孔剂法，其造孔剂具有特定大小及形状以使孔道有序化，亦可提高其孔隙率。纤维搭建法则采用陶瓷纤维作为制膜原料，通过层层搭建纤维孔道以使孔形态多样化，从而实现孔隙率的提高。以上普通陶瓷膜支撑体共同缺陷是：孔隙率不够小、纯水通量不够大、且形貌不可控，从而导致支撑体孔径不可控。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷，本发明提出一种采用静电纺丝和高温烧结相结合的方法制备出一种高孔隙率，且其孔径、纯水通量及形貌可控的多孔陶瓷膜支撑体。

本发明提供一种形貌可控高孔隙率多孔陶瓷膜支撑体，该陶瓷膜支撑体由纳米级或亚微米级陶瓷粉末材料或陶瓷材料前驱体制备而成，所述多孔陶瓷膜支撑体的孔隙率为50～85%，孔径在0.1～10μm之间，所述形貌可控高孔隙率多孔陶瓷支撑体0.5bar压力下纯水通量在1700～2500L/m².h之间。该陶瓷膜支撑体耐腐蚀性好，具有比表面积大、多孔、孔隙率高、形貌可控等优点，在过滤、催化剂载体，锂离子电池隔膜及高温气体净化等领域有着广阔的应用前景。

其中，所述纳米级或亚微米级陶瓷粉末材料选自埃洛石纳米管、二氧化钛、氧化铝、氧化锆、三氧化二铁、氧化钇、氧化锌、碳化硅、氧化镍、氧化锰、钙钛矿以及钙锆钛矿中的一种或几种金属氧化物。

其中，所述陶瓷材料前驱体为可转化为所述纳米级或亚微米级陶瓷粉末材料的有机金属化合物。

本发明的另一目的是，提供一种形貌可控高孔隙率多孔陶瓷膜支撑体的制备方法，其包括如下步骤：

1).制备纺丝液：将所述的纳米级或亚微米级陶瓷粉末材料或陶瓷材料前驱体分散于溶剂中，加入高分子聚合物，搅拌至均匀一致，以获得能够用于静电纺丝的纺丝液；

2).复合纤维膜的制备：利用静电纺丝方法，将纺丝液制备成为陶瓷材料/高分子复合纤维膜；通过调整静电纺丝参数，得到复合纤维有序排列、预定图案编织、或无纺布堆积型陶瓷材料/高分子复合纤维膜，同时调节控制纤维膜的孔径大小；

3).对步骤2)最后得到所述的复合纤维膜进行预处理；

4).将步骤3)预处理后的所述复合纤维膜压制成型；

5).将步骤4)压制成型的所述复合纤维膜烧结，去除高分子聚合物，烧结产物保留原复合纤维膜的纤维形状及搭建方式，得到所述的形貌可控高孔隙率多孔陶瓷膜支撑体。

其中，所述步骤1)中的溶剂与高分子聚合物的质量比为4:1～10:1；所述步骤1)中的陶瓷材料与高分子聚合物质量比小于或等于1。

其中，所述高分子聚合物选自聚苯乙烯(PS)、聚丙烯腈(PAN)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乳酸-羟基乙酸(PLGA)、聚乙烯醇(PVA)、聚环氧乙烷(PEO)、聚酰胺类高聚物(PA)中的一种或两种以上物质。其中，所述高分子聚合物的分子量为10万～150万。