本發(fā)明涉及多孔陶瓷膜技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種陶瓷膜材料組件。

背景技術(shù)：

膜分離過程是含溶解的溶質(zhì)或懸浮微粒的液態(tài)經(jīng)過膜，其中溶劑和溶質(zhì)小分子透過膜，溶質(zhì)大分子和懸浮顆粒被膜截留。與有機(jī)膜相比，無機(jī)陶瓷膜是由金屬氧化物或混合金屬氧化物粉體經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成的具有一定選擇性分離性能的精密陶瓷材料，具有化學(xué)穩(wěn)定性好，機(jī)械強(qiáng)度大，抗微生物能力強(qiáng)，耐高溫，孔徑分布窄，分離效率高等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于氣體分離、液體分離凈化和膜反應(yīng)器，在食品工業(yè)、制藥和生物工程、化學(xué)和石油化工工業(yè)以及環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。

國內(nèi)對(duì)陶瓷膜的研究始于上世紀(jì)90年代后期，主要集中在氧化鋁膜材料，并在污水處理方面開展了應(yīng)用，取得了良好的效益。但是在工業(yè)廢水方面，其廢水往往存在排放量大、高溫、高堿度、高酸度、含重金屬等特點(diǎn)，對(duì)無機(jī)陶瓷膜的過濾性能提出了更高的要求，目前廣泛使用的氧化鋁膜材料，難以抵抗強(qiáng)酸、強(qiáng)堿環(huán)境，高溫?zé)岱€(wěn)定性能差，在上述苛刻環(huán)境條件下工作使用壽命將大大縮短，導(dǎo)致污水處理成本增加。此外，氧化鋁膜材料親水性能一般，導(dǎo)致污水處理效率低，在一定程度上也增加了治污成本。碳化硅化學(xué)穩(wěn)定性極好，耐強(qiáng)酸、堿，可在ph值0-14的范圍內(nèi)使用，高溫穩(wěn)定性好，且親水性能好，其性能特點(diǎn)使碳化硅陶瓷膜在污水處理方面具有天然的優(yōu)勢，是今后無機(jī)陶瓷膜發(fā)展的重要方向。

但是目前的碳化硅陶瓷膜大多是粗顆粒碳化硅及粘結(jié)劑堆積燒結(jié)而成，其孔隙為顆粒堆積間隙形成，存在孔徑分布不均勻，孔徑大多在100nm以上，對(duì)水中微小懸浮顆粒、大的膠體粒子和細(xì)菌的分離非常有效，但在小分子溶質(zhì)、病毒等的分離方面存在嚴(yán)重不足，孔徑分布不均勻和孔徑過大導(dǎo)致過濾精度差，這極大地限制了陶瓷膜在分離精度要求高的許多領(lǐng)域的應(yīng)用。另外，膜組件在安裝和工作時(shí)經(jīng)常受到來自泵壓馬達(dá)的振動(dòng)所產(chǎn)生的機(jī)械和熱應(yīng)力，同時(shí)還有膜分離過程中會(huì)反復(fù)受到脈沖式氣、水等沖擊或反沖洗，由于陶瓷支撐體是采用多孔陶瓷基材料制成，這些陶瓷材料的脆性大，在遭受高的機(jī)械應(yīng)力時(shí)容易破碎和裂開，這也大大限制了它的工業(yè)推廣應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種孔徑小且分布均勻從而分離精度高，韌性好、強(qiáng)度高、耐高溫、耐酸堿的陶瓷膜材料組件，還相應(yīng)提供該陶瓷膜材料組件的制備方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種陶瓷膜材料組件，包括陶瓷膜基體、依次位于陶瓷膜基體表面的中間過渡層、陶瓷膜層，所述陶瓷膜基體的內(nèi)層為純碳層，內(nèi)層的平均孔徑為300μm～500μm，外層為c和sic組成的復(fù)合層，外層的平均孔徑為10μm～20μm；所述陶瓷膜基體的內(nèi)層和外層的孔隙貫通；所述中間過渡層為sic中間過渡層，中間過渡層的平均孔徑為100nm～500nm；所述陶瓷膜層為多孔純sic層，陶瓷膜層的平均孔徑為1nm～2nm。

優(yōu)選地，上述的陶瓷膜材料組件通過以下方法制備：

(1)制備陶瓷膜基體

(1.1)采用平均孔徑為300μm～500μm的泡沫瀝青為原料，根據(jù)所需形狀制備陶瓷膜預(yù)基體，浸入處于熱處理爐中的熔融si中，爐內(nèi)保持惰性氣氛，浸入時(shí)間為30min～60min；

(1.2)將陶瓷膜預(yù)基體從熔融si中取出，爐內(nèi)再升溫150℃～250℃，保持惰性氣氛，保溫2h～4h后隨爐冷卻至室溫，得到陶瓷膜基體；

(2)制備中間過渡層

(2.1)將碳化硅粉末、聚碳硅烷、羥甲基纖維素醚和水混合，碳化硅粉末的粒徑為1μm～5μm，制得含碳化硅漿料；

(2.2)將步驟(2.1)所得的含碳化硅漿料涂覆于步驟(1.2)所得的陶瓷膜基體表面；

(2.3)將經(jīng)步驟(2.2)涂覆處理的陶瓷膜基體置于熱處理爐中，在惰性氣氛下進(jìn)行燒結(jié)，溫度為1200℃～1500℃，時(shí)間為1h～2h；得到表面有sic中間過渡層的陶瓷膜基體；

(3)制備陶瓷膜層

(3.1)將步驟(2.3)所得的表面有sic中間過渡層的陶瓷膜基體置于熱處理爐中，在爐內(nèi)通入惰性氣體，將爐內(nèi)抽真空至800pa～1000pa后，將爐內(nèi)溫度升至1000℃～1100℃，持續(xù)通入氣化的聚碳硅烷，時(shí)間為2h～5h，使聚碳硅烷的si-h鍵和c-h鍵斷裂，生成裂解產(chǎn)物均勻附著在sic中間過渡層表面；

(3.2)保持惰性氣氛，將爐內(nèi)溫度升至2000℃～2200℃，保溫2h～5h，使裂解產(chǎn)物中的si-o鍵斷裂，生成多孔純sic，形成多孔純sic層。

優(yōu)選地，步驟(1.1)中，所述陶瓷膜預(yù)基體為多通道管、單通道管或平板狀。

優(yōu)選地，步驟(1.1)中，將熱處理爐以15℃/min～20℃/min的升溫速率升至1450℃～1550℃，使晶體硅熔化形成熔融si。

優(yōu)選地，步驟(2.1)中，所述碳化硅粉末、聚碳硅烷、羥甲基纖維素醚和水的質(zhì)量比為5∶1～2∶0.1～0.2∶8～10。

優(yōu)選地，步驟(3.1)中，聚碳硅烷的氣化溫度為150℃～200℃。

優(yōu)選地，步驟(3.1)中，聚碳硅烷的數(shù)均分子量為1000～2000。

優(yōu)選地，步驟(1)、(2)和(3)中，惰性氣氛為氬氣。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明的陶瓷膜材料組件，采用低壓化學(xué)氣相沉積有機(jī)硅聚合物，再通過分段煅燒將有機(jī)硅聚合物中的h、o元素去除，形成碳化硅，由于h、o逸出從而產(chǎn)生原子級(jí)尺寸孔隙，所得的孔隙孔徑小而且分布均勻，且該陶瓷膜層采用較高溫度制備，結(jié)構(gòu)上的缺陷較少，從而膜的綜合性能尤其是分離精度較現(xiàn)有的碳化硅陶瓷膜更優(yōu)。

2、本發(fā)明的陶瓷膜材料組件，陶瓷膜基體選擇以泡沫瀝青為基材，通過高溫浸滲熔融硅中，使熔融硅與泡沫瀝青表面和近表面的碳發(fā)生原位反應(yīng)，在泡沫瀝青的表面和近表面原位生成一層碳化硅陶瓷層，由于碳化硅陶瓷層為原位生成，保持了整個(gè)基體骨架的完整性和連續(xù)性的同時(shí)也保證了孔隙的貫通性。而且可通過泡沫瀝青本身的孔徑及反應(yīng)條件來調(diào)控最終碳化硅陶瓷層的孔徑大小，泡沫瀝青中心部分未反應(yīng)的c層起著增韌、防止材料脆性破壞的作用，抗沖擊性能大大提高，大大拓展了其工業(yè)應(yīng)用范圍，如可用于各類膜反應(yīng)器中或惡劣機(jī)械應(yīng)用環(huán)境中等。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中標(biāo)號(hào)說明：

1、平板狀陶瓷膜基體；11、內(nèi)層；12、外層；2、中間過渡層；3、陶瓷膜層。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合具體優(yōu)選的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，但并不因此而限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例1：

一種陶瓷膜材料組件，如圖1所示，包括平板狀陶瓷膜基體1、依次位于該平板狀陶瓷膜基體1表面的中間過渡層2、陶瓷膜層3，該平板狀陶瓷膜基體1的內(nèi)層11為純碳層，內(nèi)層11的平均孔徑為300μm，外層12為c和sic組成的復(fù)合層，外層12的平均孔徑為15μm；該平板狀陶瓷膜基體1的內(nèi)層11和外層12的孔隙貫通；中間過渡層2為sic中間過渡層，中間過渡層2的平均孔徑為500nm；陶瓷膜層3為多孔純sic膜層，陶瓷膜層3的平均孔徑為1.2nm。

本實(shí)施的陶瓷膜材料組件的制備方法，包括以下步驟：

(1)制備陶瓷膜基體

(1.1)采用平均孔徑為300μm的泡沫瀝青為原料，根據(jù)所需形狀制備成平板狀陶瓷膜預(yù)基體。將單晶硅放入熱處理爐中，在氬氣氣氛下，以15℃/min的升溫速率升至1500℃，使晶體硅熔化形成熔融si，然后將平板狀陶瓷膜預(yù)基體浸入熔融si中，爐內(nèi)保持氬氣氣氛，保溫60min。

(1.2)將平板狀陶瓷膜預(yù)基體從熔融si中取出，爐內(nèi)再升溫至1700℃，保持氬氣氣氛，保溫4h后隨爐冷卻至室溫，得到陶瓷膜基體，采用氣體壓泡法測試陶瓷膜基體表面c和sic組成的復(fù)合層的孔徑，結(jié)果表面平均孔徑為15μm；

(2)制備中間過渡層

(2.1)將碳化硅粉末、聚碳硅烷、羥甲基纖維素醚和水以質(zhì)量比為5∶2∶0.2∶10的比例混合，碳化硅粉末的粒徑為1μm～5μm，制得含碳化硅漿料；

(2.2)將步驟(2.1)所得的含碳化硅漿料均勻噴涂于步驟(1.2)所得的陶瓷膜基體表面；

(2.3)將經(jīng)步驟(2.2)涂覆處理的陶瓷膜基體置于熱處理爐中，在氬氣氣氛下進(jìn)行燒結(jié)，溫度為1400℃，時(shí)間為1h；得到表面有sic粗孔膜層的陶瓷膜基體，采用氣體壓泡法測試sic粗孔膜層的孔徑，結(jié)果表明平均孔徑為500nm；

(3)制備陶瓷膜層

(3.1)將步驟(2.3)所得的表面有sic粗孔膜層的陶瓷膜基體置于熱處理爐中，在爐內(nèi)通入氬氣氣體后將爐內(nèi)抽真空至1000pa后，將爐內(nèi)溫度升至1000℃，持續(xù)通入氣化的聚碳硅烷(數(shù)均分子量為1000，氣化溫度為150℃)，時(shí)間為2h，使聚碳硅烷的si-h鍵和c-h鍵斷裂，生成裂解產(chǎn)物均勻附著在sic粗孔膜層表面；

(3.2)保持氬氣氣氛，將爐內(nèi)溫度升至2000℃，保溫2h，使裂解產(chǎn)物中的si-o鍵斷裂，生成多孔純sic層，采用氣體壓泡法測試多孔純sic層的孔徑，結(jié)果表面平均孔徑為1.2nm。

實(shí)施例2：

一種陶瓷膜材料組件，包括多通道管陶瓷膜基體、依次位于多通道管陶瓷膜基體表面的中間過渡層、陶瓷膜層，該多通道管陶瓷膜基體的內(nèi)層為純碳層，內(nèi)層的平均孔徑為300μm，外層為c和sic組成的復(fù)合層，外層的平均孔徑為16μm；該多通道管陶瓷膜基體的內(nèi)層和外層的孔隙貫通；中間過渡層為sic粗孔膜層，中間過渡層的平均孔徑為250nm；陶瓷膜層為多孔純sic膜層，陶瓷膜層的平均孔徑為1.2nm。

本實(shí)施的陶瓷膜材料組件的制備方法，包括以下步驟：

(1)制備陶瓷膜基體

(1.1)采用平均孔徑為300μm的泡沫瀝青為原料，根據(jù)所需形狀制備成多通道管陶瓷膜預(yù)基體。將單晶硅放入熱處理爐中，在氬氣氣氛下，以15℃/min的升溫速率升至1500℃，使晶體硅熔化形成熔融si，然后將平板狀陶瓷膜預(yù)基體浸入熔融si中，爐內(nèi)保持氬氣氣氛，保溫60min。

(1.2)將平板狀陶瓷膜預(yù)基體從熔融si中取出，爐內(nèi)再升溫至1750℃，保持氬氣氣氛，保溫4h后隨爐冷卻至室溫，得到陶瓷膜基體，采用氣體壓泡法測試陶瓷膜基體表面c和sic組成的復(fù)合層的孔徑，結(jié)果表面平均孔徑為16μm；

(2)制備中間過渡層

(2.1)將碳化硅粉末、聚碳硅烷、羥甲基纖維素醚和水以質(zhì)量比為5∶1∶0.1∶10的比例混合，碳化硅粉末的粒徑為1μm～2μm，制得含碳化硅漿料；

(2.2)將步驟(2.1)所得的含碳化硅漿料均勻噴涂于步驟(1.2)所得的陶瓷膜基體表面；

(2.3)將經(jīng)步驟(2.2)涂覆處理的陶瓷膜基體置于熱處理爐中，在氬氣氣氛下進(jìn)行燒結(jié)，溫度為1500℃，時(shí)間為1h；得到表面有sic粗孔膜層的陶瓷膜基體，采用氣體壓泡法測試sic粗孔膜層的孔徑，結(jié)果表明平均孔徑為250nm；

(3)制備陶瓷膜層

(3.1)將步驟(2.3)所得的表面有sic粗孔膜層的陶瓷膜基體置于熱處理爐中，在爐內(nèi)通入氬氣氣體后將爐內(nèi)抽真空至1000pa后，將爐內(nèi)溫度升至1000℃，持續(xù)通入氣化的聚碳硅烷(數(shù)均分子量為1000，氣化溫度為150℃)，時(shí)間為2h，使聚碳硅烷的si-h鍵和c-h鍵斷裂，生成裂解產(chǎn)物均勻附著在sic粗孔膜層表面；

(3.2)保持氬氣氣氛，將爐內(nèi)溫度升至2000℃，保溫2h，使裂解產(chǎn)物中的si-o鍵斷裂，生成多孔純sic層，采用氣體壓泡法測試多孔純sic層的孔徑，結(jié)果表面平均孔徑為1.2nm。

實(shí)施例3：

一種陶瓷膜材料組件，包括單通道管陶瓷膜基體、依次位于單通道管陶瓷膜基體表面的中間過渡層、陶瓷膜層，該單通道管陶瓷膜基體的內(nèi)層為純碳層，內(nèi)層的平均孔徑為300μm，外層為c和sic組成的復(fù)合層，外層的平均孔徑為20μm；該單通道管陶瓷膜基體的內(nèi)層和外層的孔隙貫通；中間過渡層為sic粗孔膜層，中間過渡層的平均孔徑為250nm；陶瓷膜層為多孔純sic膜層，陶瓷膜層的平均孔徑為1.5nm。

本實(shí)施的陶瓷膜材料組件的制備方法，包括以下步驟：

(1)制備陶瓷膜基體

(1.1)采用平均孔徑為300μm的泡沫瀝青為原料，根據(jù)所需形狀制備成單通道管陶瓷膜預(yù)基體。將單晶硅放入熱處理爐中，在氬氣氣氛下，以15℃/min的升溫速率升至1500℃，使晶體硅熔化形成熔融si，然后將平板狀陶瓷膜預(yù)基體浸入熔融si中，爐內(nèi)保持氬氣氣氛，保溫60min。

(1.2)將平板狀陶瓷膜預(yù)基體從熔融si中取出，爐內(nèi)再升溫至1650℃，保持氬氣氣氛，保溫2h后隨爐冷卻至室溫，得到陶瓷膜基體，采用氣體壓泡法測試陶瓷膜基體表面c和sic組成的復(fù)合層的孔徑，結(jié)果表面平均孔徑為20μm；

(2)制備中間過渡層

(2.1)將碳化硅粉末、聚碳硅烷、羥甲基纖維素醚和水以質(zhì)量比為5∶1∶0.1∶10的比例混合，碳化硅粉末的粒徑為1μm～2μm，制得含碳化硅漿料；

(2.2)將步驟(2.1)所得的含碳化硅漿料均勻噴涂于步驟(1.2)所得的陶瓷膜基體表面；

(2.3)將經(jīng)步驟(2.2)涂覆處理的陶瓷膜基體置于熱處理爐中，在氬氣氣氛下進(jìn)行燒結(jié)，溫度為1500℃，時(shí)間為1h；得到表面有sic粗孔膜層的陶瓷膜基體，采用氣體壓泡法測試sic粗孔膜層的孔徑，結(jié)果表明平均孔徑為250nm；

(3)制備陶瓷膜層

(3.1)將步驟(2.3)所得的表面有sic粗孔膜層的陶瓷膜基體置于熱處理爐中，在爐內(nèi)通入氬氣氣體后將爐內(nèi)抽真空至800pa后，將爐內(nèi)溫度升至1100℃，持續(xù)通入氣化的聚碳硅烷(數(shù)均分子量為1000，氣化溫度為150℃)，時(shí)間為2h，使聚碳硅烷的si-h鍵和c-h鍵斷裂，生成裂解產(chǎn)物均勻附著在sic粗孔膜層表面；

(3.2)保持氬氣氣氛，將爐內(nèi)溫度升至2200℃，保溫2h，使裂解產(chǎn)物中的si-o鍵斷裂生成多孔純sic層，采用氣體壓泡法測試多孔純sic層的孔徑，結(jié)果表面平均孔徑為1.5nm。

最后有必要在此說明的是：以上實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)地說明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容作出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。最后有必要在此說明的是：以上實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)地說明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容作出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。