烧结助剂影响陶瓷微滤膜支撑体烧结性能的研究

摘要

为减少陶瓷微滤膜的渗透阻力，陶瓷微滤膜通常采用非对称结构，即在大孔径支撑体上制备小孔径的分离膜层。这种结构要求支撑体需同时具有高强度、高孔隙率、大孔径、窄孔径分布的性质。而这些性质之间是相互制约的，例如，为获得大孔径，通常使用大粒径的氧化铝为陶瓷微滤膜的支撑体制备原料，大粒径氧化铝的烧结不仅需要很高的温度，同时也导致颗粒间的结合面积较小，多孔体的强度较低。为统筹解决这些性质间的矛盾，需要通过添加烧结助剂来控制氧化铝的烧结。
　　本文以α-Al2O3作为制备多孔陶瓷膜支撑体的主要原料，研究不同的助烧结剂对多孔陶瓷膜支撑体的烧结性能的影响，研究结果如下：
　　(1)以高岭土、滑石、混合高岭土-滑石（质量比为3:1）为助烧结剂，结果显示，因混合高岭土-滑石可在烧结过程中可反应生成莫来石和堇青石，混合高岭土-滑石的助烧结效果好于单独组分的。添加10wt％混合高岭土-滑石，1450℃煅烧所制备的陶瓷膜支撑体的弯折强度为104.44MPa、孔隙率>32%、平均孔径为6.23μm，孔径分布窄小和碱腐蚀率为0.92%。
　　(2)以ZrCl4和Y(NO)3为前驱体，分解反应生成纳米ZrO2和纳米Y2O3为助烧结剂。纳米ZrO2和纳米Y2O3均可均匀地分布在氧化铝颗粒表面，1650℃煅烧所制备的支撑体具有较高的孔隙率(43~44.5%)和良好的耐碱腐蚀性能(<0.5%)。但是纳米ZrO2和纳米Y2O3对氧化铝的润湿性较差，制备得到的支撑体的强度低于15MPa，无法满足陶瓷膜支撑体对弯折强度的要求。
　　(3)以异丙醇铝为前驱体，采用溶剂热法在大粒径α-Al2O3颗粒制备一层均匀的纳米氧化铝作为陶瓷膜支撑体助烧结剂。纳米氧化铝-氧化铝（平均粒径为1μm）共同作用，在1650℃烧成温度下，制备得到的支撑体的弯折强度>20MPa，孔隙率>30%，孔径约为6.5μm，碱腐蚀性能<0.2%，适于强碱环境中使用。
　　(4)以TiCl4为前驱体，通过浸润、干燥、煅烧在α-Al2O3颗粒表面制备一层纳米TiO2作为陶瓷膜支撑体助烧结剂，当TiCl4浓度为75g/L，烧成温度为1650℃，保温时间2h，成型压力6MPa，加入8wt%（氧化铝干粉质量）玉米淀粉，可制备得到弯折强度>55MPa，孔隙率>38%，孔径约为8μm，孔径分布窄小，碱腐蚀<0.25%，性能优异的陶瓷膜支撑体。

目录

声明

1 引 言

2 文献综述

2.1 陶瓷微滤膜技术的介绍

2.1.1 陶瓷微滤膜的发展过程

2.1.2 陶瓷微滤膜的特点

2.1.3 陶瓷微滤膜的结构

2.2 陶瓷膜支撑体的制备

2.2.1 陶瓷膜支撑体的成型方法

2.2.2 陶瓷膜支撑体的成孔机理和方法

2.3.1 烧结的驱动力

2.3.2 烧结过程的物质传递

2.3.3 支撑体烧结过程的影响因素

2.4.1 固体材料的理论断裂强度

2.4.2 Griffith微裂纹断裂强度理论

2.4.3 多孔陶瓷膜支撑体强度与显微结构的关系

2.5 目前多孔陶瓷膜支撑体的研究现状和存在的问题

2.6 本课题的研究目的和内容

3 实验部分

3.1 实验原料及设备

3.1.1 实验原料

3.1.2 实验仪器和设备

3.2 实验原料的性能表征

3.2.1 α-Al2O3粒径及其分布

3.2.2 造孔剂粒径分布

3.2.3 高岭土及滑石化学成分分析

3.3 实验内容与方法

3.3.1 以高岭土、滑石为助烧结剂制备多孔陶瓷膜支撑体

3.3.2 以ZrO2、Y2O3为助烧结剂制备多孔陶瓷膜支撑体

3.3.3 纳米氧化铝修饰煅烧氧化铝粉制备多孔陶瓷膜支撑体

3.3.4 纳米氧化钛修饰煅烧氧化铝粉制备多孔陶瓷膜支撑体

3.4 性能测试与表征

3.4.1 机械强度测试

3.4.2 孔隙率测试

3.4.3 孔径大小及分布测试

3.4.4 耐碱腐蚀测试

3.4.5 显微结构分析

3.4.6 晶相分析

3.4.7 透射电子显微(TEM)分析

4 结果讨论与分析

4.1 以高岭土、滑石为助烧结剂制备多孔陶瓷膜支撑体

4.1.1α-Al2O3粒径大小对支撑体性能的影响

4.1.2 高岭土为助烧结剂对支撑体性能的影响

4.1.3 滑石为助烧结剂对支撑体性能的影响

4.1.4 混合助烧结剂对支撑体性能的影响

4.1.5 不同助烧结剂对支撑体性能的影响比较

4.1.6 小结

4.2 纳米ZrO2、Y2O3为助烧结剂制备多孔陶瓷支撑体

4.2.1 纳米ZrO2为助烧结剂

4.2.2 纳米Y2O3为助烧结剂

4.2.3 小结

4.3 纳米氧化铝修饰氧化铝粉制备多孔陶瓷支撑体

4.3.1 异丙醇铝加入量对支撑体性能的影响

4.3.2 W1的加入对支撑体性能的影响

4.3.3 小结

4.4 纳米氧化钛修饰煅烧氧化铝粉制备多孔陶瓷支撑体

4.4.1 TiCl4乙醇溶液浓度对支撑体性能的影响

4.4.2 烧成温度对支撑体性能的影响

4.4.3 保温时间对支撑体性能的影响

4.4.4 成型压力对支撑体性能的影响

4.4.5 造孔剂的用量对支撑体性能的影响

4.4.6 小结

5 结 论

致谢

参考文献