[发明专利]一种定向多孔地聚物无机膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种定向多孔地聚物无机膜，属于多孔无机材料制备技术领域，其以活性粉体和激发剂为成膜材料，采用冷冻塑型工艺，以水为模板剂，通过调整冷冻温度、水含量等因素制备出以地聚物为骨架的具有取向排列大孔结构和分布在大孔道壁上的介孔结构的无机膜。该方法制备的无机膜成膜快，养护时间短，机械强度高，抗压强度为4.0‑50.0MPa，孔隙率为5%‑75%，孔径分布范围为2nm‑800μm，具有耐高温、耐酸碱、低温固化等特性。

技术领域

本发明涉及一种定向多孔地聚物无机膜材料及其制备方法，属于多孔无机材料制备技术领域。

背景技术

膜分离技术是20 世纪60 年代后迅速崛起的一门分离新技术。目前使用的分离膜主要有两类：高分子有机膜和无机膜。以无机材料科学为基础的无机膜具有高分子有机膜所无法比拟的优点：机械强度高、化学性质稳定、抗污染能力强、耐酸、耐碱、耐有机溶剂、耐高温等。但是以陶瓷膜为代表的无机膜膜元件和设备造价高昂，膜材料脆性大，高温烧结能耗高，难以回收再利用等缺陷限制了其广泛应用，且制备无机膜的相对廉价的原材料也有待挖掘，因此开发低成本、高性能的新型无机膜材料对规模化推广无机膜具有重要意义。

地聚物（Geopolymer）是由法国著名科学家J. Davidovits于1978年提出的概念，它是指以天然硅铝酸盐矿物或固体废弃物为主要原料并在强碱溶液中经过解聚－缩聚－凝胶网络化过程而形成的由硅氧四面体和铝氧四面体组成的一种三维网络凝胶材料。地聚物具有早强快硬、耐腐蚀、耐高温、化学稳定性好等优势，且原料廉价易得，其固化温度低、免烧结、几乎无污染，属于可持续发展的“低碳绿色环保材料”。

无机膜材料的制备是无机膜科学的基础，目前常用的、有工业应用前景的制备方法主要包括固态粒子烧结法、溶胶-凝胶法、薄膜沉积法、阳极氧化法、相分离-沥滤法、热分解法、水热法等。理想的制备方法不仅要求能够制备出结构可以精确调控，孔的形状和尺寸优良，具有一定的力学性能的膜材料，而且要求成本低，工艺简单。冷冻塑型技术是一种制备多孔材料的新工艺，它不仅能“定制”微观孔形貌，且能使孔道定向排列，这使得材料具有可控的开口孔隙率、优良的力学性能及渗透性能。该项技术制备的多孔陶瓷及多孔有机泡沫等材料在生物、化工、建筑等领域已得到成功应用。且采用冷冻塑型工艺已经成功制备出硅酸盐水泥膜（CN107619226A，CN106892674A和CN103739306B）。截至目前，关于冷冻塑型工艺制备定向多孔地聚物无机膜材料的研究还未见报道。

传统的硅酸盐水泥成型过程中，首先是C₃S、C₃A、C₄F与水反应形成具有一定流动性和可塑性的水化产物（水化凝胶和氢氧化钙），然后水化产物凝聚，最后形成固化的水泥石，水泥石是三维的密封实体。冷冻塑型工艺在水泥石内部形成定向孔道而制备出水泥膜。冷冻塑型工艺制备水泥膜的过程中，由于低温下水泥的水化和硬化过程比较缓慢，冷冻塑型和冷冻干燥后形成的坯体仅仅是水泥粉体通过粘结剂简单地堆砌在一起，轻轻一碰，水泥粉体就会脱落，为了得到一定强度的水泥膜，后期养护时间很长，一个月左右。

发明内容

本发明的目的在于解决上述已有无机膜材料及制备技术存在的不足，利用廉价的化工原材料，提供一种工艺简单、成本低，能够广泛应用的定向多孔地聚物无机膜及其制备方法，以解决采用冷冻塑型工艺制备水泥膜时，养护时间太长，水泥膜强度低，耐强酸强碱性能差的问题，同时进一步丰富无机膜材料体系。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种定向多孔地聚物无机膜，其以地聚物为骨架，在地聚物骨架上均匀分布定向孔道。

一种定向多孔地聚物无机膜的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）成膜浆料的制备：按照质量份配比取活性粉体60-100份、激发剂100-140份、水30-80份混合并机械搅拌均匀后置于20-50℃保持1-4h待用。