技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本
發(fā)明涉及一種陶瓷纖維膜，尤其是一種具有層狀結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷纖維膜。
背景技術(shù)
[0002] 陶瓷膜的研究始于上個世紀(jì)40年代，由于陶瓷膜材料具有較多的優(yōu)點：較好的熱
穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，較高的機械強度，環(huán)境友好，無機多孔膜的結(jié)構(gòu)可控，因此陶瓷膜的研究和應(yīng)用備受各國政府和研究界的歡迎。陶瓷膜按照外形結(jié)構(gòu)可以分為平板膜、單通道管式膜、多通道管式膜和中空纖維膜。陶瓷膜材料廣泛應(yīng)用于污
水處理，氣固分離，工業(yè)除菌等領(lǐng)域。由于陶瓷材料本身的脆性大和韌性差使得陶瓷膜的應(yīng)用具有一定的局限性。因此在陶瓷膜材料中引入了陶瓷纖維。
[0003] 陶瓷纖維作為一種纖維狀的陶瓷材料，其直徑一般為2μm～5μm，長度一般為30mm～250mm，纖維截面呈光滑圓柱形。陶瓷纖維材料獨特的形態(tài)結(jié)構(gòu)使得其具有重量輕、耐高溫、
熱穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱率低、
比熱小及耐機械震動等優(yōu)點，被作為輕質(zhì)耐火材料而廣泛應(yīng)用于機械、
冶金、化工、軍事、航空航天等領(lǐng)域。作為絕熱保溫材料、高溫過濾材料、催化劑載體材料、吸音
隔音材料、增強增韌材料、新型功能性材料等。
[0004] 中國發(fā)明
專利201310268440.0提出了一種結(jié)構(gòu)均勻的陶瓷纖維過渡層及其制備方法，通過勻膠機的甩膜作用，在
支撐體上涂覆陶瓷纖維膜。中國發(fā)明專利201811252589.9提出了一種柔性陶瓷
納米纖維膜的制備方法及柔性陶瓷納米纖維膜和應(yīng)用，采用了
靜電紡絲法，制備前驅(qū)體納米纖維膜，通過
燒結(jié)制得柔性陶瓷納米纖維膜。中國發(fā)明專利201810901145.7提出了一種
硅酸
鋁陶瓷纖維結(jié)構(gòu)膠膜，將成品纖維紙或氈浸入到高分子膠液中，通過干燥、
固化等處理制得
硅酸鋁陶瓷纖維結(jié)構(gòu)膠膜。中國發(fā)明專利201310437109.7提出了一種
氧化物陶瓷纖維板，采用了
真空抽濾成型制備氧化物陶瓷纖維板。
[0005] 上述方法制備的陶瓷纖維膜的纖維排布不可控，孔隙結(jié)構(gòu)不可控，沒有層次性，性能不穩(wěn)定，限制了其實際應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容
[0006] 為解決上述問題，本發(fā)明提供一種具有高的孔隙率、較好的
斷裂韌性、性能穩(wěn)定的一種具有層狀結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷纖維膜，具體技術(shù)方案為：
[0007] 一種具有層狀結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷纖維膜，包括多層纖維
薄膜層，其中每一層纖維薄膜層的纖維排列方向趨向一致，且相鄰的纖維薄膜層的纖維排列方向交叉設(shè)置，相鄰的纖維薄膜層形成網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)。
[0008] 進(jìn)一步的，所述纖維薄膜層的厚度為10-100微米。
[0009] 一種具有層狀結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷纖維膜的制備方法，包括以下步驟：配置原料，原料包括水、純短切陶瓷纖維水性漿料、燒結(jié)助劑、膠黏劑、消泡劑和
增稠劑；制成漿料，將配置好的原料制成陶瓷纖維漿料；制作纖維薄膜層，將陶瓷纖維漿料在陶瓷
基板上均勻
刮涂形成纖維薄膜層，刮涂時通過刮板定向刮涂控制纖維排列方向，使每一層的纖維排列方向趨向一致；固化，將刮好的纖維薄膜層固化；重復(fù)制作纖維薄膜層和固化，形成多層纖維薄膜層層疊的陶瓷纖維膜，其中相鄰的纖維薄膜層的纖維排列方向交叉設(shè)置，相鄰的纖維薄膜層形成網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)；燒結(jié)，將陶瓷纖維膜放置在高溫爐中燒結(jié)成一種具有層狀結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷纖維膜。
[0010] 進(jìn)一步的，所述純短切陶瓷纖維水性漿料的配置包括以下步驟將短切纖維和水加入到攪拌器中攪拌，使?jié){料分散均勻，無沉淀；所述純短切陶瓷纖維水性漿料中纖維含量10％-30％；所述短切纖維包括硅酸鋁短切纖維、
石英短切纖維、氧化鋯短切纖維、氧化鋁短切纖維中的一種或多種。
[0011] 進(jìn)一步的，所述燒結(jié)助劑包括MgO、CaO、SiO2、
堿性硅溶膠中的一種或多種；所述膠黏劑包括羧甲基
纖維素鈉、乙基纖維素、硅溶膠，PVA、鋁溶膠中的一種或多種；所述消泡劑包括聚二甲基硅氧烷、脂肪醇、聚醚改性硅油中的一種或多種；所述增稠劑為堿溶脹
聚合物。
[0012] 進(jìn)一步的，所述原料按照以下
質(zhì)量份數(shù)配置：燒結(jié)助劑：1-5份；膠黏劑：10-20份；增稠劑：0.5-2份；消泡劑：0.05-0.1份；水：5-20份；純短切陶瓷纖維水性漿料：55-88份。
[0013] 進(jìn)一步的，相鄰的纖維薄膜層的纖維排列方向交叉設(shè)置形成的夾
角為30-90°。
[0014] 進(jìn)一步的，所述固化包括將纖維薄膜層通過
微波照射固化或恒溫烘箱高溫固化。
[0015] 進(jìn)一步的，將陶瓷纖維膜置于高溫爐中以0.5-3.0℃/min升溫速度緩慢升溫到最高燒成
溫度，所述燒成溫度為1200～1400℃，保溫1～4h，自然冷卻得到一種具有層狀結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷纖維膜。
[0016] 進(jìn)一步的，所述陶瓷基板為平板狀多孔陶瓷板，所述陶瓷基板在涂覆前進(jìn)行預(yù)處理，使預(yù)處理后的陶瓷基板表面不具有吸水性，所述預(yù)處理包括以下步驟：在陶瓷基板的表面均勻的涂覆一層預(yù)處理漿料，然后進(jìn)行固化，固化后的厚度為10-50微米；所述預(yù)處理漿料中的原料按質(zhì)量份數(shù)包括：燒結(jié)助劑：1-5份，膠黏劑：10-20份，增稠劑：0.5-2份，消泡劑：0.05-0.1份，水：5-20份；將上述原料加入容器中攪拌形成粘稠的預(yù)處理漿料。
[0017] 與
現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有以下有益效果：
[0018] 本發(fā)明提供的一種具有層狀結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷纖維膜具有高的孔隙率、較好的斷裂韌性、性能穩(wěn)定。
具體實施方式
[0019] 現(xiàn)結(jié)合
實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0020] 一種具有層狀結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷纖維膜，包括多層纖維薄膜層，其中每一層纖維薄膜層的纖維排列方向趨向一致，且相鄰的纖維薄膜層的纖維排列方向交叉設(shè)置，相鄰的纖維薄膜層形成網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)。
[0021] 纖維薄膜層的厚度為10-100微米。
[0022] 一種具有層狀結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷纖維膜的制備方法，包括以下步驟：
[0023] 配置原料，原料包括水、純短切陶瓷纖維水性漿料、燒結(jié)助劑、膠黏劑、消泡劑和增稠劑；制成漿料，將配置好的原料制成陶瓷纖維漿料；制作纖維薄膜層，將陶瓷纖維漿料在陶瓷基板上均勻刮涂形成纖維薄膜層，刮涂時通過刮板定向刮涂控制纖維排列方向，使每一層的纖維排列方向趨向一致；固化，將刮好的纖維薄膜層固化；重復(fù)制作纖維薄膜層和固化，形成多層纖維薄膜層層疊的陶瓷纖維膜，其中相鄰的纖維薄膜層的纖維排列方向交叉設(shè)置，相鄰的纖維薄膜層形成網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)；燒結(jié)，將陶瓷纖維膜放置在高溫爐中燒結(jié)成一種具有層狀結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷纖維膜。
[0024] 純短切陶瓷纖維水性漿料的配置包括以下步驟：將短切纖維和水加入到攪拌器中攪拌，使?jié){料分散均勻，無沉淀；所述純短切陶瓷纖維水性漿料中纖維含量10％-30％；所述短切纖維包括硅酸鋁短切纖維、石英短切纖維、氧化鋯短切纖維、氧化鋁短切纖維中的一種或多種。
[0025] 燒結(jié)助劑包括MgO、CaO、SiO2、堿性硅溶膠中的一種或多種；膠黏劑包括
羧甲基纖維素鈉、乙基纖維素、硅溶膠，PVA、鋁溶膠中的一種或多種；消泡劑包括聚二甲基硅氧烷、脂肪醇、聚醚改性硅油中的一種或多種；增稠劑為堿溶脹聚合物。
[0026] 原料按照以下質(zhì)量份數(shù)配置：燒結(jié)助劑：1-5份；膠黏劑：10-20份；增稠劑：0.5-2份；消泡劑：0.05-0.1份；水：5-20份；純短切陶瓷纖維水性漿料：55-88份。
[0027] 相鄰的纖維薄膜層的纖維排列方向交叉設(shè)置形成的夾角為30-90°。
[0028] 固化包括將纖維薄膜層通過微波照射固化或恒溫烘箱高溫固化。
[0029] 將陶瓷纖維膜置于高溫爐中以0.5-3.0℃/min升溫速度緩慢升溫到最高燒成溫度，所述燒成溫度為1200～1400℃，保溫1～4h，自然冷卻得到一種具有層狀結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷纖維膜。
[0030] 陶瓷基板為平板狀多孔陶瓷板，所述陶瓷基板在涂覆前進(jìn)行預(yù)處理，使預(yù)處理后的陶瓷基板表面不具有吸水性，所述預(yù)處理包括以下步驟：在陶瓷基板的表面均勻的涂覆一層預(yù)處理漿料，厚度為10-50微米，然后進(jìn)行固化；所述預(yù)處理漿料中的原料按質(zhì)量份數(shù)包括：燒結(jié)助劑：1-5份，膠黏劑：10-20份，增稠劑：0.5-2份，消泡劑：0.05-0.1份，水：5-20份；將上述原料加入容器中攪拌形成粘稠的預(yù)處理漿料。
[0031] 實施例一
[0032] 步驟(1)、陶瓷基板預(yù)處理：按質(zhì)量份數(shù)，將10份的水，12份的PVA，0.05份的聚二甲基硅氧烷加入容器中攪拌均勻，加2份的堿性硅溶膠調(diào)節(jié)溶液pH為8，攪拌速率為300轉(zhuǎn)/min下，加一份的1:1稀釋的ASE-60，攪拌均勻，配成粘稠的預(yù)處理漿料；將預(yù)處理漿料均勻的涂覆在陶瓷基板的表面，厚度為10-50微米，然后將基板放入烘箱110℃固化。
[0033] 步驟(2)、將75份含有20％的氧化鋁的純短切陶瓷纖維水性漿料加入容器中，攪拌10min使?jié){料分散均勻，無沉淀。
[0034] 步驟(3)、按質(zhì)量份數(shù)，將12份的PVA，0.05份的聚二甲基硅氧烷，10份的水在攪拌速率為600轉(zhuǎn)/min下加入到步驟(2)分散均勻的純短切陶瓷纖維水性漿料中，加2份的堿性硅溶膠調(diào)節(jié)溶液pH為8，攪拌速率為300轉(zhuǎn)/min下，加了一份的1:1稀釋的ASE-60，在全部原料加入后繼續(xù)攪拌5min，使原料充分混合分散，得到粘稠的陶瓷纖維漿料。
[0035] 步驟(4)、在平板狀多孔的陶瓷基板上涂步驟(3)制備的陶瓷纖維漿料，用刮板沿著一個方向刮涂漿料，刮三次使得纖維排列方向趨向一致性，控制刮板與陶瓷基板的間距以控制每層的厚度。
[0036] 步驟(5)、將涂覆好的纖維薄膜層與陶瓷基板一起放入烘箱中固化，固化溫度為110℃。
[0037] 步驟(6)、下一層涂覆前將陶瓷基板轉(zhuǎn)動90°，使固化的纖維薄膜層中的纖維方向與待涂覆的纖維薄膜層的纖維方向交叉，然后重復(fù)步驟(4)和步驟(5)直到纖維薄膜層的總厚度達(dá)到150微米。
[0038] 步驟(7)、將陶瓷纖維膜置于陶瓷窯爐中以0.8℃/min升溫速度緩慢升溫到最高燒成溫度1280℃，保溫2h，最后冷卻得到高孔隙率、高韌性的一種具有層狀結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷纖維膜。
[0039] 實施例二
[0040] 步驟(1)、陶瓷基板預(yù)處理：按質(zhì)量份數(shù)，將8份的水，16份的鋁溶膠，0.1份的聚二甲基硅氧烷加入容器中攪拌均勻，加1份的堿性硅溶膠調(diào)節(jié)溶液pH為8，攪拌速率為300轉(zhuǎn)/min下，加了2份的1:1稀釋的ASE-60，攪拌均勻，配成粘稠的預(yù)處理漿料；。將預(yù)處理漿料均勻的涂覆在陶瓷基板的表面，厚度為10-50微米，然后將陶瓷基板放入微波設(shè)備中進(jìn)行快速干燥。
[0041] 步驟(2)、將73份含有10％的石英短切陶瓷纖維的純短切陶瓷纖維水性漿料加入容器中，攪拌5min使?jié){料分散均勻，無沉淀。
[0042] 步驟(3)、按質(zhì)量份數(shù)，將16份的鋁溶膠，0.1份的聚二甲基硅氧烷，8份的水在攪拌下加入到步驟(2)分散均勻的純短切陶瓷纖維水性漿料中，加1份的堿性硅溶膠調(diào)節(jié)溶液pH為8，攪拌速率為300轉(zhuǎn)/min下，加了2份的1:1稀釋的ASE-60，在全部原料加入后繼續(xù)攪拌5min，使原料充分混合分散，得到粘稠的陶瓷纖維漿料。
[0043] 步驟(4)、在平板狀多孔的陶瓷基板上涂步驟(3)制備的陶瓷纖維漿料，用刮板沿著一個方向刮漿料3次，使得纖維排列方向趨向一致性，控制刮板與陶瓷基板的間距以控制每層的厚度。
[0044] 步驟(5)、將涂覆好的纖維薄膜層連同陶瓷基板一起放入微波設(shè)備中進(jìn)行快速干燥。
[0045] 步驟(6)、下一層涂覆前將陶瓷基板轉(zhuǎn)動60°，使固化的纖維薄膜層中的纖維方向與待涂覆的纖維薄膜層的纖維方向交叉，然后重復(fù)步驟(4)和步驟(5)直到纖維薄膜層的總厚度達(dá)到120微米。
[0046] 步驟(7)、將陶瓷纖維膜置于陶瓷窯爐中以1.5℃/min升溫速度緩慢升溫到最高燒成溫度1320℃，保溫2h，最后冷卻得到高孔隙率、高韌性的一種具有層狀結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷纖維膜。
[0047] 實施例三
[0048] 步驟(1)、陶瓷基板預(yù)處理：按質(zhì)量份數(shù)，將18份的水，20份的羧甲基纖維素鈉，0.08份的聚醚改性硅油加入容器中攪拌均勻，加2份的堿性硅溶膠調(diào)節(jié)溶液pH為8，攪拌速率為300轉(zhuǎn)/min下，加了2份的1:1稀釋的ASE-60，攪拌均勻，配成粘稠的預(yù)處理漿料。將預(yù)處理漿料均勻的涂覆在陶瓷基板的表面，厚度為10-50微米，然后將基本放入烘箱100℃固化。
[0049] 步驟(2)、將58份含有30％的硅酸鋁純短切陶瓷纖維水性漿料的水性漿料加入容器中，攪拌10min使?jié){料分散均勻，無沉淀。
[0050] 步驟(3)、按質(zhì)量份數(shù)，將20份的羧甲基纖維素鈉，0.08份的聚醚改性硅油，18份的水在攪拌下加入到步驟(2)分散均勻的純短切陶瓷纖維水性漿料中，加2份的堿性硅溶膠調(diào)節(jié)溶液pH為8，攪拌速率為300轉(zhuǎn)/min下，加了2份的1：1稀釋的ASE-60，在全部原料加入后繼續(xù)攪拌5min，使原料充分混合分散，得到粘稠的陶瓷纖維漿料。
[0051] 步驟(4)、在平板狀多孔的陶瓷基板上涂步驟(3)制備的陶瓷纖維漿料，用刮板沿著一個方向刮漿料2次，使得纖維排列方向趨向一致性，控制刮板與陶瓷基板的間距以控制每層的厚度。
[0052] 步驟(5)、將涂覆好的纖維薄膜層連同陶瓷基板一起放入烘箱中固化，固化溫度為100℃。
[0053] 步驟(6)、下一層涂覆前將陶瓷基板轉(zhuǎn)動45°，使固化的纖維薄膜層中的纖維方向與待涂覆的纖維薄膜層的纖維方向交叉，然后重復(fù)步驟(4)和步驟(5)直到纖維薄膜層的總厚度達(dá)到150微米。
[0054] 步驟(7)、將陶瓷纖維膜置于陶瓷窯爐中以2℃/min升溫速度緩慢升溫到最高燒成溫度1400℃，保溫4h，最后冷卻得到高孔隙率、高韌性的一種具有層狀結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷纖維膜。
[0055] 本發(fā)明有益效果：通過刮板定向刮涂短切纖維漿料，使每層的纖維方向排列趨向一致，并且每層的纖維方向交叉，即每層的纖維方向具有夾角，交叉處通過燒結(jié)助劑實現(xiàn)黏連，纖維較難拔出，所制備的纖維膜孔隙結(jié)構(gòu)均勻可控，顆粒堆積
密度高，孔隙率低，過濾壓降小，通量大，機械性能、耐
腐蝕性能較好，并且制備方法簡單，成本低，具有較好的工業(yè)前景。
