CN201380059366.X
2013.10.09
CN104781214A
2015.07.15
实审
审中
实质审查的生效IPC(主分类):C04B 35/622申请日:20131009|||公开
C04B35/622; C04B38/00
C04B35/622
帝国创新有限公司
本杰明·弗朗西斯·纳奇布尔·金斯伯里; 吴振涛; 李康
英国伦敦
1218079.0 2012.10.09 GB
北京康信知识产权代理有限责任公司11240
张英; 宫传芝
本发明涉及用于形成多孔陶瓷材料的方法,该方法包括以下步骤:提供聚合物涂布陶瓷颗粒在第一溶剂中的悬浮液;使悬浮液接触第二溶剂,从而由聚合物和陶瓷颗粒形成陶瓷材料前体,加热陶瓷材料前体以将在前体内的聚合物至少部分地分解成固体沉积物,然后烧结陶瓷材料前体以形成多孔陶瓷材料。
1. 一种用于形成多孔陶瓷材料的方法,所述方法包括以下步骤: 提供聚合物涂布陶瓷颗粒在第一溶剂中的悬浮液; 使所述悬浮液接触第二溶剂,从而由所述聚合物和陶瓷颗粒形 成陶瓷材料前体, 加热所述陶瓷材料前体以将在所述前体内的所述聚合物至少 部分地分解成固体沉积物,以及 然后烧结所述陶瓷材料前体以形成多孔陶瓷材料。 2. 根据权利要求1所述的方法,其中,烧结所述陶瓷材料前体以形成 多孔陶瓷材料的步骤是在惰性气氛下。 3. 根据权利要求2所述的方法,其中,所述惰性气氛包括氮。 4. 根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述方法进一步包 括以下步骤:在含氧气氛下加热所述多孔陶瓷材料以除去所述固体 沉积物。 5. 根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述陶瓷颗粒包括 一种或多种金属氧化物,优先选自Al2O3、ZrO、SiO2、CeO2、TiO2以及它们的两种或更多种的混合物。 6. 根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述陶瓷颗粒具有 5至0.01微米的最长平均直径。 7. 根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述聚合物包括一 种或多种可转化聚合物,优选乙酸纤维素和/或聚醚砜。 8. 根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述固体沉积物包 括碳沉积物。 9. 根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述第一溶剂包括 以下各项中的一种或多种:N-甲基-2-吡咯烷酮、二甲基亚砜、四氢 呋喃和二甲基乙酰胺。 10. 根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述第二溶剂包括 水。 11. 根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,在1000至1800℃ 的温度,更优选1200至1600℃的温度,以及最优选在约1300-1450℃ 的温度烧结所述陶瓷材料前体。 12. 根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述多孔陶瓷材料 是中空纤维的形式。 13. 根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,加热所述陶瓷材料 前体的步骤包括在惰性气氛下加热所述陶瓷材料前体以将所述聚合 物分解成包含碳沉积物的所述固体沉积物,然后在含氧气氛下加热 以从所述陶瓷材料前体部分地去除所述碳沉积物。 14. 根据权利要求1至12中任一项所述的方法,其中,加热所述陶瓷材 料前体的步骤包括在含氧气氛下加热所述陶瓷材料前体以将所述聚 合物部分分解成所述固体沉积物,然后在惰性气氛下以将所述固体 沉积物完全分解成碳沉积物,然后在含氧气氛下加热以从所述陶瓷 材料前体部分地去除所述碳沉积物。 15. 根据权利要求1至12中任一项所述的方法,其中,加热所述陶瓷材 料前体的步骤包括在密封的含氧气氛中加热所述陶瓷材料前体,从 而从所述陶瓷材料前体部分地去除所述固体沉积物。 16. 根据权利要求15所述的方法,其中,在密封的所述气氛中没有氧剩 余之后进行所述烧结。 17. 根据权利要求1至12中任一项所述的方法,其中,加热所述陶瓷材 料前体的步骤包括在空气中和在足以引起所述聚合物的至少部分分 解的温度下加热所述陶瓷材料前体。 18. 根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述多孔陶瓷材料 是多孔陶瓷膜。 19. 一种多孔陶瓷材料,通过前述权利要求中任一项所述的方法可获得。 20. 根据权利要求19所述的多孔陶瓷材料,其中,所述材料是膜的形式。 21. 一种过滤器,包括权利要求19或权利要求20所述的多孔陶瓷材料。 22. 权利要求19或权利要求20所述的多孔陶瓷材料或根据权利要求21 所述的过滤器用于过滤、优选水的过滤的用途。
陶瓷材料 技术领域 本发明涉及用于形成多孔陶瓷材料的方法以及涉及上述材料用于过 滤,尤其是水的过滤的用途。具体地,本发明涉及用于受控加热前体以在 陶瓷材料内形成特别适合的孔的方法。 背景技术 陶瓷膜被广泛用于微量过滤(微滤,microfiltration)和超滤。这是由 于它们具有超过聚合物对应物的许多优点。上述优点包括在长期使用期间 更大的机械强度和结构刚度、更大的耐腐蚀性和耐热性、稳定操作特性, 以及通过煅烧或通过水或适当溶剂的反向流来多次再生的可能性。这意味 着,可以在较宽pH值范围内、在高温和高压下、以及在腐蚀性介质中操 作陶瓷膜。另一方面,这些膜可以是脆性的并且也是昂贵的,这是由于它 们的制造所使用的高能耗技术。 对于过滤系统,如对于水的过滤,其中高强度材料允许使用高压过滤, 陶瓷膜是令人感兴趣的。这样的过滤器的实施例讨论于US2006/0175256。 通常通过两个因素,选择性和渗透性,来评估过滤膜的分离性能。在 多孔陶瓷过滤器中,通过在形成膜以后由在填充颗粒之间的空隙形成的膜 孔径来确定选择性。渗透性是孔径、孔径分布和孔隙率的函数。为了达到 所期望的孔径和高渗透性,可以采用多层膜结构,其中将一层或多层的精 细颗粒逐步涂布或沉积在由较大颗粒制成的另一基质层上,从而形成梯度 孔结构。 如在“A morphological study of hollow fiber membranes”,Kingsbury et al.,Journal of Membrane Science 328(2009)134-140中讨论的,可以通过相 转化(逆相,phase inversion)的方法来制备陶瓷中空纤维膜。这样的膜具 有良好的多孔结构并且非常适合在高温和高压下以及在腐蚀性环境中使 用。然而,已发现,这些方法不一定提供用于所有所期望的应用的足够高 渗透性。 因此,期望提供改善的多孔陶瓷材料和/或解决与现有技术相关联的 至少一些问题,或至少提供商业上有用的对其的替代方式。本发明的一个 目的是提供陶瓷材料,该材料适合用作过滤器,相比于其它这样的过滤器, 其具有增加的渗透性。 发明内容 在第一方面,本公开内容提供了用于形成多孔陶瓷材料的方法,该方 法包括以下步骤: 提供聚合物涂布陶瓷颗粒在第一溶剂中的悬浮液; 使悬浮液接触第二溶剂,从而陶瓷材料前体由聚合物和陶瓷颗粒形 成, 加热陶瓷材料前体以将在前体内的聚合物至少部分分解成固体沉积 物,以及 然后优选在惰性气氛下,烧结陶瓷材料前体,以形成多孔陶瓷材料。 现在将进一步描述本发明。在以下段落中,更详细地定义本发明的不 同方面。除非明确有相反的指示,否则如此定义的每个方面可以与任何其 它一个或多个方面结合。尤其是,表示为优选的或有利的任何特征可以与 表示为优选的或有利的任何其它一个或多个特征结合。 “陶瓷材料”是指金属和非金属的任何无机晶体或非晶(无定形, amorphous)材料化合物。陶瓷材料包括,例如,Al2O3、SiO2、ZrO、CeO2和TiO2。优选的是,陶瓷材料包括金属氧化物。 “多孔”陶瓷材料是指,陶瓷材料具有包含多个孔的结构。当然,这些 孔可以填充有非陶瓷材料。优选地,孔是未填充的并在材料内形成连接孔 隙率以用作用于待过滤材料的流动路径。上述多孔材料的实例在本领域中 是众所周知的并且流动路径或通道非常适合用于过滤待过滤的介质。 “含氧气氛”是指以下气氛,其包含至少一些O2气体,包括,例如, 空气或纯氧气流。通过使用固定空气体积或选定的流率,可以控制和监测 在气氛中存在的氧气水平。 在本文描述的方法的第一步骤中,提供了聚合物涂布陶瓷颗粒在第一 溶剂中的悬浮液。优选地,陶瓷颗粒包括一种或多种金属氧化物,优先选 自Al2O3、ZrO、SiO2、CeO2、TiO2以及它们的两种或更多种的混合物。 氧化铝是特别优选的。可以基于材料的所期望的最终用途来确定陶瓷颗粒 的选择。例如,TiO2具有抗菌性能,而Al2O3和SiO2则是相对便宜和耐用 的,从而使它们适用于大量应用。 优选地,陶瓷颗粒具有5至0.01微米的最长平均直径,优选2至0.01 微米,以及最优选2至0.1微米。更优选地,陶瓷颗粒具有在此范围内的 各种尺寸。并不特别限制具体的颗粒尺寸,而是可以基于所期望的应用加 以选择。颗粒是指包括粉末或细小颗粒材料。 优选地,聚合物包括一种或多种可转化(可逆,invertible)聚合物。 这样的聚合物在本领域中是已知的。用于本文披露的方法的最优选的聚合 物是乙酸纤维素和/或聚醚砜。为了选择适宜的聚合物,必要的是,聚合物 可溶于第一溶剂并且不溶于第二溶剂。该聚合物可以是聚合物的混合物。 优选地,第一溶剂包括以下中的一种或多种:N-甲基-2-吡咯烷酮、 二甲基亚砜、四氢呋喃和二甲基乙酰胺。选择这些溶剂,这是由于它们形 成聚合物涂布颗粒的悬浮液的能力以及它们与水的混溶性,其允许相转化 技术来形成前体。第一溶剂可以是溶剂的混合物。 然后使悬浮液接触第二溶剂,从而陶瓷材料前体由聚合物和陶瓷颗粒 形成。优选地,第二溶剂包括水。水是特别优选的,这是因为它是便宜、 容易得到和无毒的。选择第二溶剂,以使它与第一溶剂混溶并且聚合物不 溶于它。第二溶剂可以是溶剂的混合物。 然后加热陶瓷材料前体以将在前体内的聚合物至少部分分解成固体 沉积物。优选地,固体沉积物包括碳沉积物,以及最优选地,沉积物由碳 沉积物组成。聚合物的分解用来减少在前体内的聚合物的体积,而且还提 供在结构内的热弹性固体沉积物。存在各种技术,通过其可以实现这种效 应并且在下文讨论它们。 然后优选在惰性气氛下,烧结陶瓷材料前体,以形成多孔陶瓷材料。 优选地,在1000℃至1800℃的温度下,更优选1200℃至1600℃,以及 最优选在约1300-1450℃的温度下烧结陶瓷材料前体。惰性气氛的使用是 所期望的,因为在烧结期间它可以防止聚合物/聚合物衍生的固体沉积物的 损失,其可以防止过度致密产物的形成。在惰性气氛下,可以使用较高温 度,这是因为固体沉积物保持和缓解过度致密化,同时高温产生更强的最 终产物。 优选地,惰性气氛包括氮。可以使用任何惰性气体,如氩气或其它希 有气体。然而,氮是特别成本有效的并且是优选的。 在一种实施方式中,可以在含氧气氛(优选空气,出于成本和简单性) 下并优选在低于常规温度,如1000℃至1300℃,更优选1200℃至1250℃, 下进行烧结步骤。可以按照本文一般披露的方法的每个方面(包括用于加 热陶瓷材料前体的各种技术的每一种)来进行此实施方式的方法,同时仍 然实现所期望的强而持久的并具有改善的渗透性的材料。然而,已发现, 在空气中的烧结并不提供同样高水平的当在惰性气氛下进行烧结时所显 示的渗透性。在常规热处理中,需要在至少1450℃的温度下烧结前体以 实现用于应用的足够的强度,如过滤,尤其是水过滤。本发明人已发现, 在没有上述高温处理的情况下可以实现此强度并且这可以防止材料的过 度致密化,从而得到良好的渗透性。 在一种实施方式中,披露了形成用于水过滤器的多孔陶瓷膜的方法, 其中在空气下并在1000℃至1300℃的温度下进行烧结。 然后可以在含氧气氛下加热陶瓷材料以除去固体沉积物和任何剩余 聚合物。在空气中,例如,在600℃或更高温度下,加热前体将引起任何 碳沉积物被氧化成气体并离开结构。这提供了适合用作过滤器的材料。 如将明了的,可以以任何所需的形状来产生陶瓷材料。然而,尤其是 对于过滤的目的,优选的是,多孔陶瓷材料具有中空纤维的形式。优选地, 多孔陶瓷材料是多孔陶瓷膜。优选地,上述材料具有膜的形式。 在一种实施方式中,材料形成多层膜的部分,并且,在这种情况下, 优选地材料形成初始结构,在其上形成随后层。已发现,目前的技术提供 了单层膜,其具有和常规制备的多层膜同样的性能。 可以以中空管或纤维的形式来提供本文所使用的陶瓷材料。通过提供 这样的具有入口端和密封远端的纤维,介质可以流入纤维并通过材料的多 孔结构。以这种方式,对流过纤维的介质进行过滤。介质可以期望是液体 或气体。保留物通常将是颗粒物质以及透过物将是较纯的液体或气体。按 照本公开内容制造的纤维通常被提供为在每端开放的圆柱体。因此,期望 闭合纤维的一端,优选用密封剂,如环氧树脂,以隔绝待过滤介质的通流。 本发明人已经发现,通过受控烧结由基于结合的相转化和烧结的技术 所制造的陶瓷前体,可以制备高度多孔陶瓷材料,其适合用作用于微量过 滤和超滤的中空纤维膜或模块。前体中空纤维膜可以具有单层、双层或三 层结构,其是以单步制作,即共挤出过程,接着受控共烧结来形成。陶瓷 中空纤维膜的制作是已知的,但本发明人已发现,借助于受控烧结步骤, 可以实现高度多孔陶瓷膜。 在常规烧结过程中,陶瓷膜的最终孔结构形成自在前体中在填充颗粒 或微粒之间的空隙。借助于提高的烧结温度,陶瓷颗粒开始熔合在一起以 形成最终材料。 不希望受限于理论,认为由于多种机制如表面扩散、自表面的晶格扩 散、汽相输送(vapour transport)、晶粒间界扩散、自晶粒间界的晶格扩 散和塑性流动而发生这种熔合或逐步连接在一起。这些机制得到较大陶瓷 颗粒或陶瓷微粒尺寸、以及陶瓷膜的降低的孔隙率。它还导致陶瓷膜的收 缩、膜密度的增加、以及膜孔隙率的降低。当温度高于一定值时,整个膜 可以被致密化,并具有留下的很小孔隙率。这也是以下情况的主要原因: 通过常规烧结,非常难以获得具有小孔径的高渗透性陶瓷膜。可以利用常 规技术如压汞仪法(压汞孔隙率测定,mercury intrusion porosimetry)来确 定膜的孔隙率。然而,作为比较度量,往往最简单的是,比较性能详情如 选择性和渗透性,其可以通过任何已知技术加以比较。 有利地,本发明人已发现,本文披露的方法(加热然后在例如,N2下烧结)会促进膜孔隙率并因而促进渗透性而没有损失选择性或机械强 度。在该方法中,通过在相转化过程中沉淀的聚合物粘合剂的薄层来覆盖 在前体中的陶瓷颗粒。这种沉淀的聚合物粘合剂还占据在这些颗粒之间的 空隙。在第一加热步骤中,聚合物粘合剂被至少部分分解以产生在颗粒之 间的界面。然后,当烧结发生时,由于存在剩余聚合物或固体分解产物, 微粒不能完全并入致密体。相反地,形成以下结构,该结构具有由聚合物 或聚合物的分解产物所填充或限定的空隙。 也就是说,留在陶瓷颗粒之间的空隙中的聚合物粘合剂或固体沉积物 作为烧结抑制剂,其防止陶瓷颗粒的大幅增长并保持明确界定的连续孔结 构。另一个好处是,通过使用不同尺寸的陶瓷颗粒,可以设计膜的孔径和 孔径分布,这是因为较小颗粒通常被插入通过较大颗粒的填充所形成的空 隙,从而形成所得膜的甚至更小的孔径或较窄的孔径分布。在受控烧结过 程中,当它们受到留在膜内的聚合物粘合剂或固体沉积物“保护”时,这些 较小颗粒将不会消失。这是常规烧结无法实现的事件。 在高温烧结中,“保护”陶瓷颗粒免于过度增长的另外的优点是,可以 使用较高的烧结温度以获得所得膜的改善的机械强度而没有损失膜孔隙 率。也就是说,可以实现在陶瓷颗粒之间的更强的粘结而没有陶瓷颗粒或 微粒的进一步显著增长。在高温烧结以后,可以通过在较低温度下并在空 气中的煅烧来容易地除去留在膜内的聚合物或固体沉积物,其产生高度多 孔陶瓷膜而没有损害最终结构。此外,通过使用这种技术,通过陶瓷颗粒 的初始填充,可以设计和选择最终产物的孔径。 相同过程还可以用于双层或三层结构的前体纤维,其中以单步制作过 程来逐步形成精细颗粒的一层或多层。在受控烧结过程中留下的聚合物粘 合剂或碳,其作为烧结抑制剂,有助于减小在由较大颗粒制成的基质层和 由精细颗粒制成的分离层之间的烧结行为的差异。 本发明人已经发现用来进行上述方法的几种途径,其将固体沉积物以 及可选地一些聚合物保留在陶瓷材料的孔中。 按照第一技术,加热陶瓷材料前体的步骤包括第一步骤:在惰性气氛 下加热陶瓷材料前体以将聚合物分解成固体沉积物,其优选包含碳沉积 物。也就是说,加热陶瓷材料至足够的温度以分解聚合物,例如,至 700-1000℃的温度,以及优选750-850℃。这引起聚合物分解成在前体内 减少体积的固体沉积物。由于前体的多孔特性,任何气态副产物会离开上 述结构。因为气氛是惰性的,所以包含在聚合物中的任何碳被保留在结构 中并且不作为气体成分而离开前体。在可选的第二步骤中,然后在含氧气 氛下加热前体以从陶瓷材料前体部分地去除碳沉积物。为了确保碳损失仅 是部分的而不是全部的,可以在有限的氧气下进行第二加热步骤持续有限 的加热持续时间,或在含氧气氛下进行有限的时间。 按照第二技术,加热陶瓷材料前体的步骤包括在含氧气氛下加热陶瓷 材料前体以将聚合物部分分解成固体沉积物,然后在惰性气氛下加热以将 固体沉积物完全分解成碳沉积物,然后,可选地,在含氧气氛下加热以从 陶瓷材料前体部分地去除碳沉积物。再次地,可以控制含氧气氛以确保从 前体不完全除去聚合物(如在常规方式中)。 按照第三技术,加热陶瓷材料前体的步骤包括在密封的含氧气氛中加 热陶瓷材料前体,从而从陶瓷材料前体部分地去除固体沉积物。也就是说, 控制氧气量,以使已知量的聚合物分解、被氧化并离开前体。例如,对于 碳沉积物,通过分解而产生的碳与可获得的氧反应以形成二氧化碳和/或一 氧化碳气体,其不被多孔结构保留。有限的氧含量意味着可以确保留下一 些碳固体沉积物。 优选地,在密封气氛中没有氧气剩余以后进行烧结。也就是说,在密 封箱中进行加热直到没有氧气剩余,因此,无需采取进一步的步骤来提供 烧结步骤所需要的惰性气氛。 按照第四技术,加热陶瓷材料前体的步骤包括在空气中并在足以引起 聚合物的至少部分分解的温度(如优选450℃至550℃)下加热陶瓷材料 前体。也就是说,控制温度以使在持续在升高的温度的时间内聚合物仅是 部分分解的。如果聚合物被完全分解,那么必要的是,温度并不是如此高 以使得固体沉积物没有剩余。在常规方法中,可以在空气中加热陶瓷材料 前体至600C,在该温度下聚合物分解将是完全的。在此实施方式中,优 选通过以1度/分钟至25度/分钟(优选2至10以及最优选约5度/分钟) 的速率提高温度至所期望的温度来进行加热,然后再次以相同的速率降低 温度,优选没有在上述温度下的显著停留。 按照第二方面,提供了通过本文描述的方法可获得的多孔陶瓷材料。 如将明了的,由于在烧结以前在前体中存在固体沉积物以及可选地未分解 的聚合物,所以最终产物的结构非常不同于通过任何其它方法所产生的那 些结构。相比于通过常规技术可以实现的,上述材料具有更高孔隙率和更 均匀的孔结构,因而更高通量。在表面结构中实现的差异示出在附图中。 优选地,提供了渗透通量为至少2000L/m2h的多孔陶瓷膜。 按照第三方面,提供了包括本文描述的多孔陶瓷材料的过滤器。 按照第四方面,提供了本文描述的多孔陶瓷材料或过滤器用于过滤, 优选水的过滤的用途。由于陶瓷过滤器的稳定性和强度,所以上述过滤器 适用于任何形式的颗粒过滤。此外,可以基于所期望的待过滤的材料来调 整和选择孔径。还可以过滤其它液体,包括醇和其它有机溶剂。 本文披露的多孔陶瓷材料还可以适合用作用于催化的支持物(例如), 并且它可用于这样的用途,其依赖于高表面积、高孔隙率陶瓷材料。这包 括废气催化系统。因此,在一种实施方式中,上述方法是用于制作用作催 化载体的多孔陶瓷材料。在这样的应用中,可以将催化剂并入结构(当它 形成时)或施用至孔中作为随后的涂层。在一种实施方式中,上述方法是 用于制作多孔陶瓷材料,其用于催化转化器,如用于汽车。其它应用包括 声阻尼和作为吸收剂。 附图说明 现将相对于以下非限制性附图来描述本发明,其中: 图1示出了穿过如本文描述的产生的纤维的横截面图像。可以横跨管 壁的宽度清楚地看到多孔结构。 图2是代表性示图,其示出被认为是本文描述的方法所基于的基本理 论。 图3示出了在空气下对于不同的加热温度,渗透的曲线图。这反映了 在初始加热步骤中在不同的温度下聚合物粘合剂的部分去除,其会增加通 过前体的通量。 图4示出了在烧结以前以及在空气中在指定温度下初步热处理以后 材料前体的表面的SEM图像。如可以看到的,在那些低于常规烧结的温 度下,存在更加多孔、较少合并的结构。注意在400和450℃下存在剩余 聚合物。在每张图的左上方,示出了以摄氏度为单位的温度。 图5示出了在上述方法中关键步骤的流程图。 具体实施方式 如图5所示,提供聚合物涂布陶瓷颗粒在第一溶剂中的悬浮液A。使 悬浮液A接触第二溶剂B,并且通过相转化,这引起陶瓷材料前体C的 形成。 然后加热前体C以至少部分分解聚合物以及形成经热处理的前体D。 在此热处理期间,一些气态物质E可以从前体损失。 然后在惰性气氛下烧结经热处理的前体D以提供多孔陶瓷材料F。在 存在氧的情况下在可选的随后较低温度热处理以后,除去在材料中的任何 剩余碳以清洁孔。 现将相对于以下非限制性实施例来描述本发明。 实施例 利用平均颗粒直径<1μm的氧化铝粉末(α,99.9%金属基准,表面积 6-8m2/g)来制备多孔陶瓷材料。 在添加氧化铝粉末(58.7wt%)以前,将浓度为1.3wt%的聚乙二醇 30-二多羟基硬脂酸酯溶解于N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)/水溶液。借助于 20mm玛瑙研磨球并使用重量比约为2的Al2O3/玛瑙来滚压/研磨分散体48 小时。在添加聚醚砜(PESf)(6.1wt%)以后持续研磨另外48小时。然 后将悬浮液转移到气密容器并在真空下脱气直到在表面处不能看到气泡。 在脱气以后,将悬浮液转移到200ml Harvard不锈钢注射器并通过在孔喷 丝板中的管(ID为1.2mm,OD为3.0mm)挤压进入包含120升水(聚 合物的非溶剂)的凝固浴,其中空气间隙为1-15cm。DI水用作内部凝固 剂以及流动速率为3至21ml/min。通过两个独立的Harvard PHD 22/2000 Hpsi注射泵来精确地控制和监测纺丝悬浮液的挤出速率和内部凝固剂的 流动速率,从而确保制备的前体纤维的均匀性。 将纤维前体留在外部凝固浴中过夜以允许完成相转化。然后将它们浸 渍于过量自来水,其被周期性地更换超过48h的时段,以除去微量的NMP。 比较例 在静态空气下并使用以下加热方案(曲线,profile)来加热纤维前体。 实施例1–聚合物的分解,然后部分去除 将纤维前体放置在氮的惰性气氛下,然后从室温加热至800℃。这引 起聚醚砜分解成均匀分布于整个前体结构的碳沉积物。在前体仍然在 800℃的情况下,将受控量的氧加入气氛并用来从结构部分地去除碳。当 氧浓度已经下降到零时,在1450℃下并在N2下烧结前体4小时。如果在 空气下进行烧结,那么碳将已全部被氧化掉并且结构将在更大程度上已导 致较低孔隙率。最后冷却多孔陶瓷材料,然后加热至600℃并将空气引入 室。在这种静态空气中保持材料2小时以确保所有碳被氧化出结构的孔(煅 烧)。 以下示出这些反应条件的概要: N2流动速率 181.4 ml/分钟 O2流动速率 18.5 ml/分钟 O2% 9.23 % 加热方案 从 至 详情 O2% RT 800 5C/分钟 0 800 800 2、5、10分钟O2+120分钟N2 800 1450 5C/分钟 0 1450 1450 240分钟 0 1450 RT 3C/分钟 0 RT 600 5C/分钟 9.23 600 600 120分钟 9.23 600 RT 5C/分钟 9.23 还在每个不同的氧持续时间下检查纤维的水渗透并相比于常规制备 技术(600℃,在空气下)。在1巴的水压下,常规膜通过0.2x103Lm-2h-1。 在1巴的水压下,在2分钟氧的条件下制备的膜通过1.2x103Lm-2h-1。在1 巴的水压下,在5和10分钟氧的条件下制备的膜通过大约2.1x103Lm-2h-1。 实施例2–在静态空气下加热 将纤维前体放置在静态空气气氛下并加热至400℃至600℃的温度, 然后从相同的温度冷却至室温(5°/分钟速率)。在450-550℃的范围内, 这引起聚醚砜分解并且被部分地氧化出前体结构。在600C下并在常规条 件下,从前体完全去除聚醚砜。然后在1450℃和N2下烧结前体4小时。 如果在空气下进行烧结,那么碳将已全部被氧化掉并且在上述温度下结构 将已变成完全致密的。最后冷却多孔陶瓷材料,然后在空气下加热至 800℃。将材料保持在这种静态空气中2小时以确保所有的碳被氧化出结 构的孔。 以下示出这些反应条件的概要: N2流动速率 181.4 ml/分钟 还在每个不同的氧持续时间下检查通过纤维的通量并相比于常规制 备技术(600℃,在空气下)。在1巴压力下,常规膜通过50Lm-2h-1。在 1巴压力下,在500C下制备的膜通过325Lm-2h-1。在1巴压力下,在450C 下制备的膜通过大约250Lm-2h-1。 实施例3–聚合物的分解,然后部分去除 将纤维前体放置在氮气的惰性气氛下并从室温加热至1200℃。这引 起聚醚砜分解成均匀分布于整个前体结构的碳沉积物。然后仍在氮下将前 体冷却至室温。然后在静态空气和500-600℃下,加热前体以从结构部分 地去除碳。在1450℃和N2下烧结前体4小时。如果在空气下进行烧结, 那么碳将已全部被氧化掉并且在上述温度下结构将已变成完全致密的。最 后冷却多孔陶瓷材料,然后在空气下加热至800℃。将材料保持在这种静 态空气中2小时以确保将所有碳氧化出结构的孔。 N2流动速率 181.4 ml/分钟 加热方案 从 至 详情 O2% RT 1200 5C/分钟 0 1200 1200 120分钟 0 1200 RT 5C/分钟 0 RT 500-600 5C/分钟 静态空气 500-600 RT 5C/分钟 静态空气 RT 1450 5C/分钟 0 1450 1450 240分钟 0 1450 RT 3C/分钟 0 RT 800 5C/分钟 静态空气 800 800 120分钟 静态空气 800 RT 5C/分钟 静态空气 还在每个不同的氧持续时间下检查通过纤维的通量并相比于常规制 备技术(600℃,在空气下)。在1巴压力下,常规膜通过8Lm-2h-1。在1 巴压力下,在500C下制备的膜通过26Lm-2h-1。在1巴压力下,在550C 下制备的膜通过大约32Lm-2h-1。 实施例4 1μm的氧化铝(Al2O3)粉末(α,99.9%金属基准,表面积6-8m2/g) 购买自Alfa-Aesar并按供给的状况加以使用。聚醚砜(PESf)(Radal A300, Ameco Performance,USA)、二甲基亚砜(DMSO)(HPLC级,Rathbone)、 和Arlacel P135(聚乙二醇30-二多羟基硬脂酸酯,Uniqema)分别用作聚 合物粘合剂、溶剂和添加剂。自来水和去离子水分别用作外部和内部凝固 剂。 首先将Arlacel P135溶解于溶剂(DMSO),然后其中添加1μm Al2O3粉末(63wt.%)。在添加PESf(6.3wt.%)以前球磨混合物不少于48小 时,接着再次研磨48小时。然后在用于纤维制作以前,在真空下完全脱 气形成的均匀悬浮液。使用在孔喷丝板中的管(OD 3mm,ID 1.2mm), 其中空气间隙为15cm。悬浮液的挤出速率和内部凝固剂的流动速率分别 为7和12ml/分钟。 在CARBOLITE炉中并利用一般烧结和受控烧结过程来煅烧前体纤 维,其中详细的烧结参数列于以下表1。 表1 在整个普通烧结中使用静态空气,而对于受控烧结,则静态空气用于 第一和第三步骤以及N2用于第二步骤。 对于在空气中的第一热处理,取下气密端密封件,从而允许空气自然 扩散到前体纤维所位于的炉管。在需要无氧气氛的第二步骤中,引导N2的连续流通过炉管,其中出口连接于氧分析仪以监测实际烧结气氛。在第 2步骤结束时除去气密端密封件,从而在受控烧结的第3步骤以前允许空 气再次填满炉管。在这项研究中,在受控烧结中的唯一的可变参数是第一 热处理温度(400-600℃)。 热重分析(TGA Q500,TA Instruments)用来分析PESf在空气和N2中的重量变化,以及碳在空气中的重量变化。通过扫描电子显微镜(SEM, JEOL JSM–5610LV)来表征膜形态和微观结构。压汞仪法(Micromeritics Autopore IV)用来研究膜的不对称孔结构。通过水渗透测试来评估受控烧 结对膜性能的影响,并相比与在静态空气中烧结的对应物。 径向加压试验用来评估陶瓷中空纤维段(大约20mm)的机械性能, 其中利用具有5kN的测力传感器的Instron Model 5544拉伸试验机。将微 管样品水平放置在平面基面上,其中另一个平面十字头以0.5mm/分钟的 速度向下移动直到发生断裂。假定所有样品是同心环结构,并利用以下公 式来获得断裂强度(σF,MPa): ( 1 ) : σ F = 2 P F r ( 6 r - t ) π lt 2 ( 2 r - t ) ]]> 式中PF(N)表示断裂载荷,r(m)是样品的平均半径((OD+ID)/4),t(m) 表示样品的壁厚以及l(m)是样品的长度。 在普通烧结和在这项研究中开发的受控烧结之间的最独特的差异已 简要介绍于表1。基本上,代替在普通烧结中完全燃烧掉均匀PESf聚合 物相,首先在静态空气中热处理它(第1步骤)以部分地去除聚合物,接 着在较高温度下将剩余聚合物热解成碳(第2步骤)。在此过程中,陶瓷 颗粒的烧结继续进行,但由于在颗粒的空隙中存在碳,其抑制陶瓷颗粒的 增长。然后在静态空气中除去碳(第3步骤),从而得到更为多孔的陶瓷 膜。应当指出的是,设计受控烧结的第1步骤以除去过量的在制作前体纤 维时所需要的PESf,否则,过量的碳将停止陶瓷颗粒的烧结(甚至在 1450℃的温度下)。 通过TGA分析,研究了在受控烧结过程中PESf相的作用。在低于 800℃(在空气中),可以完全烧掉PESf,该温度与大多数聚合物材料相 同。随着升高的温度,增加的重量损失表明聚合物相的减少。而在N2中, 在约800℃下,获得大约60%的稳定的重量损失,其与在1450℃下在N2中直接烧制PESf持续4小时所获得的值一致。这意味着,当形成这样的 碳时,在无氧气氛中,它可以是相当稳定的。这样的均匀碳相的存在将有 助于在可能较高的烧结温度下稳定更为多孔的膜结构,对于普通烧结,其 仍然相当具有挑战性(即使使用一些成孔剂)。可以在空气中随后除去形 成的碳,从而得到高度多孔陶瓷膜。还可以看出,在空气中PESf的可观 察的重量变化开始自大约400℃,因此400℃至600℃的热处理温度用于 受控烧结的第1步骤。 为比较的目的,利用普通烧结过程(表1)来烧结相同结构的前体纤 维。除由支持在指状层上的海绵样层组成的典型的非对称结构之外,内表 面是比外表面更加多孔的。 至于受控烧结,在热处理(受控烧结的第1步骤)以后,存在前体纤 维颜色的显著变化。随着温度升高,样品从浅黄色变为深棕色,并留下越 来越少的无机相。这样的变化与看到的前体纤维的微观结构的变化一致。 初始前体纤维的内表面显著不同于在400℃和500℃下经处理的两种所选 样品的内表面,虽然对于外表面,是不太明显的(由于较少量的聚合物)。 然而,在受控烧结(第2和第3步骤)以后,当与普通烧结相比时,受控 烧结样品的外表面是更加多孔的并具有更少的烧结氧化铝颗粒,这证明了 以上讨论的PESf在形成更为多孔的陶瓷膜中的作用(通过抑制颗粒生 长)。 还应当指出的是,虽然添加成孔剂是增加陶瓷膜的孔隙率的另一种方 式,但如果施用普通烧结过程,则通过在膜内产生“微洞穴(微孔穴, micro-cave)”,它不能有效地影响膜孔径。 因为这样的非对称中空纤维膜的孔结构是非常不同于常规陶瓷膜,所 以压汞法用来研究受控烧结对膜孔结构的影响。普通烧结样品显示典型的 不对称孔结构,即在内表面上的较大孔以及在外部海绵样分离层中的较小 孔。对于使用400℃至500℃的热处理温度的受控烧结,内表面的孔径倾 向于稍微减少,而在海绵样分离层中内表面的孔径的减少则几乎加倍。虽 然内表面孔径的微小变化的原因尚未明确,其可以相关于在前体纤维中更 加集中的PESf,但分离层孔径的显著增加是与SEM图像一致的。如以上 已讨论的,第1步骤热处理有助于降低在前体纤维中的有机相,以及在外 海绵样层内的残留的有机相则均匀分布在氧化铝颗粒周围,以及在这些颗 粒之间的填充空隙中。在N2中高温烧结(第2步骤)期间,残留的有机 相变成碳,从而有助于降低颗粒生长,随着增加的烧结温度,其致密化陶 瓷膜。因此,在除去碳(第3步骤)以后,可以获得更为多孔的膜。 然而,如果热处理温度太高(550-600℃),则留下不足量的有机相, 因此碳的缺乏会阻止膜致密化,因此,外部海绵样分离层的孔径比得上普 通烧结。此外,随着增加的热处理温度,减小内表面孔径的趋势会持续。 可以通过若干参数,如膜孔径、孔隙率和厚度等,影响陶瓷膜的水渗 透。为比较的目的,测试了具有约50μm的分离层的中空纤维膜(以普通 和受控方式加以烧结的)的水渗透。发现,受控烧结膜的水渗透总是高于 普通烧结膜的水渗透:两倍至大约13倍(在1.38巴下)。此外,经400 至500℃热处理的膜的水渗透大大高于在550℃和600℃下经热处理的膜 的水渗透,这种趋势很好吻合分离层孔径的变化。对于在这项研究中使用 的非对称氧化铝中空纤维膜,分离层被认为是外海绵样层,以及它的厚度 的变化(普通烧结和受控烧结)是不大于约20%。因此,可以合理地认为, 水渗透的变化主要来自外分离层的孔径和孔隙率的变化。 对于经400℃至500℃热处理的膜,由于碳的存在,膜的致密化被 有效地抑制。因此,在高烧结温度(1450℃)下,可以维持较大孔径,以 及可能较高孔隙率,其显着改善水渗透。在500℃下经处理的膜的水渗透 超过在400℃和450℃下经处理的膜的水渗透,其是意想不到的但可能的, 这是因为孔径和孔隙率共同影响水渗透。对于经550℃至600℃热处理的 那些膜,虽然孔径似乎是相当接近于普通烧结样品,但碳的存在有助于增 加膜孔隙率,从而得到比普通烧结对应物更高的水渗透通量。 对于普通烧结陶瓷膜,在高烧结温度下颗粒生长通常导致较低的膜孔 隙率(致密化),因此更小的水渗透。同时,由于晶粒间界的形成,可以 获得适当的机械强度。如以上已经介绍的,PESf是在纺丝悬浮液和前体 膜中的连续相。这意味着,它不仅“占据”由填充陶瓷颗粒形成的空隙,而 且占据在这些陶瓷颗粒之间的任何间隙。在受控烧结中,在被转化为碳以 后,在填充空隙中的PESf作为孔结构“稳定剂”。而在陶瓷颗粒之间的 PESf,其应是较小量,需要小心加以控制,因这它会阻止在陶瓷颗粒之间 的结合。 评估了普通烧结(NS)和受控烧结膜的机械性能。受控烧结膜的断 裂载荷和强度均随着预处理温度的增加而增加。经在400℃和450℃下热 处理的样品显着弱于其它样品,其表明在陶瓷颗粒之间过量的聚合物相, 与前面讨论的结果一致,该结果表明在此温度范围内仅发生PESf的较小 重量损失。在500℃下,受控烧结膜的断裂载荷比得上普通烧结对应物, 而它的强度稍低,这是由于略有不同的膜尺寸。虽然它的晶粒间界可能弱 于普通烧结样品,但由于在颗粒之间存在少量的聚合物相,所以更多的晶 粒间界(由于较小的晶粒尺寸)仍然有助于适当的机械强度。这里应注意 的是,增加的烧结温度(在这项研究中为1450℃)可以潜在地有助于进 一步改善它的机械强度而不会牺牲膜孔隙率和水渗透。550℃和600℃的 预处理温度得到这样的膜,其甚至强于普通烧结膜,其中较小的晶粒尺寸 以及更多的晶粒间界可发挥重要的作用,显着降低了水渗透的改善,这表 明PESf的过度去除。 因此,通过在高温下降低膜致密化,可以实现显著改善的水渗透,而 没有损失膜强度。 在本实施例中,已开发了用于更加可渗透的氧化铝中空纤维膜的受控 烧结过程,其中通过利用PESf作为孔结构“稳定剂”的来源以防止氧化铝 膜的过度致密化。在静态空气中的热处理有助于调节在前体纤维中有机相 的浓度,以及随后在N2中的高温烧结期间碳的量。这产生分离层的不同 的孔结构,以及较高的水渗透。例如,由于在高烧结温度下对颗粒生长的 有效抑制,分离层的孔径从大约0.18(普通烧结)增加至0.35μm(受控 烧结)。当相比与普通烧结时,除适当的机械性能之外,还可以增加水渗 透大约13倍。此外,除PESf之外的其它聚合物也可以用于同样的目的, 并且已发现,利用这样的聚合物相来保持陶瓷膜的适当孔结构的设想同样 适用于除氧化铝之外的其它陶瓷材料。 相比于具有同样的非对称结构并仅在静态空气中烧结(即普通烧结) 的膜,利用本文描述的受控烧结过程烧结的膜显示至多达约13倍的更高 水渗透通量,以及可比的机械强度。 虽然本文已详细描述了本发明的优选实施方式,但本领域技术人员应 当理解的是,可以对其进行变化而不偏离本发明或所附权利要求的范围。
《陶瓷材料.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《陶瓷材料.pdf(22页珍藏版)》请在专利查询网上搜索。
本发明涉及用于形成多孔陶瓷材料的方法,该方法包括以下步骤:提供聚合物涂布陶瓷颗粒在第一溶剂中的悬浮液;使悬浮液接触第二溶剂,从而由聚合物和陶瓷颗粒形成陶瓷材料前体,加热陶瓷材料前体以将在前体内的聚合物至少部分地分解成固体沉积物,然后烧结陶瓷材料前体以形成多孔陶瓷材料。 。
copyright@ 2017-2020 zhuanlichaxun.net网站版权所有经营许可证编号:粤ICP备2021068784号-1