CN103342576A

CN103342576A - 一种纳米复相Al2O3 陶瓷滤芯的制备方法

Info

Publication number: CN103342576A
Application number: CN2013102578134A
Authority: CN
Inventors: 金志浩; 王红洁; 代丽娜; 金海云; 刘荣臻
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2013-10-09

Abstract

本发明公开了一种高强度的纳米复相Al₂O₃陶瓷滤芯的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：第一步，制备含宏观直孔的Al₂O₃多孔基体；第二步，在Al₂O₃多孔基体宏观直孔孔壁上制备纳米多孔复相涂层，其中，第二步包括以下具体步骤：（1）将异丙醇铝溶于70～90℃蒸馏水中，搅拌并加入硝酸控制pH值，异丙醇铝发生水解形成溶胶；（2）在40℃，1个大气压力下超声，陈化；（3）将烧结好含宏观直孔Al₂O₃多孔基体完全浸入到陈化好的溶胶中，浸渍、提拉，然后冷冻干燥，使溶胶成为凝胶；（4）在500℃～600℃对凝胶进行热处理，然后随炉冷却；（5）最后对凝胶在900～1100℃进行烧结，获得纳米复相Al₂O₃陶瓷滤芯。

Description

一种纳米复相Al2O3 陶瓷滤芯的制备方法

技术领域

本发明涉及一种可用于食品、医疗行业作为滤芯或过滤管的Al₂O₃陶瓷制品的制备方法。

背景技术

Al₂O₃陶瓷滤芯（过滤管）具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀、低成本等优点，在石油、化工、环保、食品、制药等领域具有广阔的应用前景。但对于许多精细化工过滤，要求过滤精度达到纳米量级，并具有较高的透气度。

采用一般的传统多孔陶瓷制备技术，孔径尺寸在微米级别，难以达到高精度过滤。若采用均一纳米多孔Al₂O₃陶瓷，过滤精度、最大孔径大小限制在纳米量级（30～60nm）是不难达到的，但过滤管透气度显然难以达到。一般Al₂O₃多孔基体采用较大颗粒Al₂O₃（粒度在30～50μm）粉进行烧结。但现在市场上Al₂O₃粉的粒度分布范围比较宽，形状不规则，致使多孔Al₂O₃陶瓷的气孔分布不均匀，透气度小，陶瓷强度下降。

发明内容

为解决Al₂O₃陶瓷滤芯（过滤管）过滤精度和透气性之间的矛盾，本发明提供了一种过滤精度纳米量级，透气度较高的高强度Al₂O₃陶瓷滤芯的制备方法。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种纳米复相Al₂O₃陶瓷滤芯的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

第一步，球形Al₂O₃粉制备含宏观直孔的Al₂O₃多孔基体；

第二步，在Al₂O₃多孔基体宏观直孔孔壁上制备纳米多孔复相涂层，其中，第二步包括以下具体步骤：

（1）将异丙醇铝溶于70～90℃蒸馏水中，搅拌并加入硝酸控制pH=1～3，异丙醇铝发生水解形成溶胶，在制备好的溶胶中加入80～90vt%纳米ZrO₂粉，搅拌除泡，得到复合浆料；

（2）在40℃，1个大气压力下超声，陈化；

（3）将烧结好含宏观直孔Al₂O₃多孔基体完全浸入到陈化好的溶胶中，浸渍、提拉，然后冷冻干燥；

（4）在500℃～600℃对凝胶进行热处理，然后随炉冷却；

（5）最后在900～1100℃进行烧结，获得纳米复相Al₂O₃陶瓷滤芯。

上述工艺中，所述500℃～600℃对凝胶进行热处理采用阶梯式升温方式。所述浸渍时间为5～15min。所述提拉速度为2～6cm/min。所述冷冻干燥是在-40℃快速深度冻结，保温2h，缓慢升温至-20℃，升温方式为红外线加热，升温速率为1℃/min，在-20℃保温24h，真空干燥。

所述第一步的具体步骤为：

（1）将固体颗粒粉末、塑化剂、固化剂、有机溶剂混合，机械搅拌后球磨得到混合浆料；其中，固体颗粒粉末70～60wt%、塑化剂30～40wt%，固化剂为塑化剂的3wt%～7wt%；固体颗粒粉末包括98wt%～99.1wt%的球形微米Al₂O₃、0.5wt%～1.0wt%的TiO₂和0.4wt%～1.0wt%MgO；

（2）风干去除料浆中的部分有机溶剂，使有机溶剂质量百分含量低于5%，再在40～60℃下熟化，得到泥状原料；

（3）将泥状原料装入挤出成型模具的内腔，加压挤出预制坯体；

（4）将预制坯体在600～900℃热解，最后在空气气氛下1400～1600℃烧结，获得含宏观直孔的Al₂O₃多孔基体。

其中。所述塑化剂为酚醛树脂或自环氧树脂。所述固化剂为草酸或柠檬酸。所述有机溶剂为乙醇。

本发明高强、纳米复相Al₂O₃陶瓷过滤管（滤芯）采用球形Al₂O₃（粒度分布窄，20～50μm）粉作为多孔基体的烧结原料，在添加烧结助剂及造孔剂情况下进行烧结，使多孔陶瓷的透气度和强度都有所提高。Al₂O₃多孔过滤管基体达到功能要求后，在基体Al₂O₃宏观直孔管采用溶胶-凝胶（Sol-gel）法制备30～50nm的多孔复相（Al₂O₃—ZrO₂）涂层。从而获得过滤精度纳米量级，透气度较高的高强、纳米复相Al₂O₃陶瓷过滤管（滤芯）。在食品、化工行业过滤中有耐高温、耐腐蚀、抗氧化、透气性好以及过滤精度高等优点。

附图说明

图1为本发明纳米复相Al₂O₃陶瓷滤芯（过滤管）截面图。

图中：1、含宏观直孔的多孔基体；2、纳米复相Al₂O₃—ZrO₂涂层；3、挤出成型宏观直孔。

具体实施方式

参见图1，本发明高强、纳米复相Al₂O₃陶瓷滤芯（过滤管），包括微米级球形氧化铝（Al₂O₃）粉挤出成型烧结所得的含宏观直孔多孔基体1，宏观直孔孔壁的纳米复相（Al₂O₃—ZrO₂）涂层2。滤芯（过滤管）要与过滤液直接接触，那么要求整个滤芯具有耐高温、耐腐蚀、抗热震、透气性好等特点。

微米级Al₂O₃基体烧成多孔材料孔径尺寸相对较大，透气性好，作为支撑材料。为了提高过滤精度，在直孔孔壁附着纳米级复相陶瓷涂层，从而进行高精度过滤，使过滤精度达到纳米量级。

本发明高强、纳米复相Al₂O₃陶瓷滤芯包括两方面的工作：一方面为含宏观直孔的Al₂O₃多孔基体制备，另一方面为宏观直孔孔壁上纳米多孔复相Al₂O₃—ZrO₂涂层的制备，以下予以分述：

本发明高强、纳米复相Al₂O₃陶瓷滤芯（过滤管）中含宏观直孔Al₂O₃基体制备方法为成熟工艺，主要包括原料制备、挤出成型、干燥、热解和烧成工艺。

该制备方法以固体颗粒粉末和具有塑化作用的高分子材料为主要原料，进一步后续处理后，在挤出成型模具中制备管状预制坯体，最后热解、烧结。具体实施例组成如表1所示。

表1含宏观直孔多孔基体配方

固体颗粒粉末是球形微米Al₂O₃粉、TiO₂粉和MgO混合粉末。球形Al₂O₃粉纯度在99.6%以上，粒度分布20～50μm，TiO₂、MgO粉粒度在几个微米。塑化剂为酚醛树脂或自环氧树脂；固化剂为草酸或柠檬酸。

按表1中的配方将所需原料混合，加入有机溶剂乙醇（质量浓度≥99%），使溶质的质量分数为60wt%，机械搅拌后球磨得到混合浆料。风干去除料浆中的部分有机溶剂，使有机溶剂质量百分含量低于5%，再熟化30min，得到泥状原料。将泥状原料装入挤出成型模具的内腔，加压挤出预制坯体。

将预制坯体热解（升温速度0.5℃/min，保温1.5h），最后在空气气氛下烧结（升温速率5℃/min），获得含宏观直孔的Al₂O₃多孔基体。制备基体过程中6个具体实施例对应的工艺参数如表2所示。

表2基体制备工艺参数

实施例	熟化温度（℃）	热解温度（℃）	烧结温度（℃）	烧结保温时间（h）
					1	40	600	1400	1
2	50	650	1500	1.5
					3	60	700	1400	2
4	40	750	1600	1
					5	60	800	1500	1.5
6	50	600	1400	2

不同实施例所制备的多孔基体性能有所差异，表3为实施例2的测试结果。

表3 实施例2基体的性能测试结果

性能指标	设计要求	制备材料性能
			抗弯强度（MPa）	>40	40～50
气孔率（％）	>30	30～35

与其他5组实施例测试结果相比，在实施例2配方及工艺下所得基体强度、气孔率均较高。因此，采用实施例2烧结结果作为下述溶胶凝胶法制备涂层的基体。

本发明在Al₂O₃多孔基体实施例2制备的基体条件下制备了四个实施例的涂层，具体工艺参数如表4所示。

按表4工艺参数，将异丙醇铝溶于蒸馏水中，异丙醇铝与去离子水的摩尔比为1:80，在恒温加热磁力搅拌器中高速搅拌并加入硝酸控制PH值，异丙醇铝发生水解形成溶胶。在上述溶胶中加入纳米ZrO₂粉，搅拌30min，除泡，得到复合浆料。

溶胶在陈化过程中，胶体粒子逐渐聚集形成网络结构。陈化条件，在40℃，1个大气压下陈化，超声（表4）。将多孔Al₂O₃基体浸入到陈化好的溶胶中，浸渍、提拉基体（表4）。在-40℃快速深度冻结，保温2h，缓慢升温至-20℃，升温方式为红外线加热，升温速率为1℃/min，在-20℃保温24h，真空干燥。

凝胶在表4焙烧温度下热处理，采用阶梯式升温方式排出凝胶中的大分子和溶剂，升温速率在1～2℃/min，最后随炉冷却。为避免烧结温度过高时纳米级颗粒长大气孔堵塞，最后在表4烧结温度下烧结，保温1h。

表4本发明涂层制备涉及的工艺参数

Claims

1.一种纳米复相Al₂O₃陶瓷滤芯的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

第一步，球形Al₂O₃粉制备含宏观直孔的Al₂O₃多孔基体；

（2）在40℃，1个大气压力下超声，陈化；

（4）在500℃～600℃对凝胶进行热处理，然后随炉冷却；

2.如权利要求1所述的纳米复相Al₂O₃陶瓷滤芯的制备方法，其特征在于，所述500℃～600℃对凝胶进行热处理采用阶梯式升温方式。

3.如权利要求1所述的纳米复相Al₂O₃陶瓷滤芯的制备方法，其特征在于，所述浸渍时间为5～15min。

4.如权利要求1所述的纳米复相Al₂O₃陶瓷滤芯的制备方法，其特征在于，所述提拉速度为2～6cm/min。

5.如权利要求1所述的纳米复相Al₂O₃陶瓷滤芯的制备方法，其特征在于，所述冷冻干燥是在-40℃快速深度冻结，保温2h，缓慢升温至-20℃，升温方式为红外线加热，升温速率为1℃/min，在-20℃保温24h，真空干燥。

6.如权利要求1所述的纳米复相Al₂O₃陶瓷滤芯的制备方法，其特征在于，所述第一步的具体步骤为：

7.如权利要求6所述的纳米复相Al₂O₃陶瓷滤芯的制备方法，其特征在于，所述塑化剂为酚醛树脂或自环氧树脂。

8.如权利要求6所述的纳米复相Al₂O₃陶瓷滤芯的制备方法，其特征在于，所述固化剂为草酸或柠檬酸。

9.如权利要求6所述的纳米复相Al₂O₃陶瓷滤芯的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为乙醇。