一种陶瓷膜及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于陶瓷材料技术领域，具体涉及一种陶瓷膜及其制备方法和应用。

背景技术

工业生产中会产生夹杂有粉尘的气体，根据气体或者粉尘种类，选取不同的回收以及处理方案，通常可采用水喷淋等手段吸收气体和粉尘，形成浆料后再做后续处理；还有方法采用树脂或者布袋过滤装置，阻挡粉尘被，实现气体和粉尘的分离，但是由于粉尘的种类以及布袋材质等不同，容易造成布袋破损而导致粉尘泄露；用陶瓷材质进行固气分离，存在因陶瓷膜的表面气孔不均一，导致粉尘微颗粒容易进入细孔内部，造成陶瓷膜寿命有限的问题。

针对目前固气分离用陶瓷膜的缺点，本案提出了一种新的陶瓷膜结构以及其合成方法以及在锂电池领域的应用方案。

因此，亟需开发出及一种陶瓷膜及其制备方法和应用能够解决现有陶瓷膜的在固气分离中易被颗粒进入内部的问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种陶瓷膜，所述陶瓷膜包括依次叠加设置的支撑体层、中间层和物料接触层；

所述支撑体层的平均孔径为10μm以上；

所述中间层的平均孔径为1～10μm；

所述物料接触层的平均孔径为0.05～1μm；

细孔分布系数，以细孔容积90％的细孔经/细孔容积50％的细孔经的数值计，在1.5以下。根据本发明第一方面的实施例至少具有以下有益效果：

现有技术中陶瓷膜的物料接触层的孔径分布不容易做得相对均匀，陶瓷膜内部为无序的孔状结构，一旦细小粉尘进入陶瓷膜内部便很难排出，造成陶瓷膜不可逆的堵塞。本发明中，采用上述三层结构，能够实现物料接触层的细孔经分布更加均匀，物料接触层的表面更加平滑，减少粉尘微粒进入物料接触层的细孔，有利于将粉尘微粒阻止于陶瓷膜之外。

在不影响气体阻力的前提下，物料接触层的层细孔分布可以制备的更加均匀，物料接触层的表面更加平滑。

根据本发明的一些实施例，所述物料接触层的制备原料包括氧化钛和氧化铝中的至少一种。

根据本发明的一些实施例，所述物料接触层的制备原料还包括水性丙烯酸类树脂和聚乙烯基吡咯烷酮。

聚乙烯基吡咯烷酮主要作用是使得细小颗粒的分散更加均一，所形成的溶液更加稳定。

根据本发明的一些实施例，所述支撑体层的制备原料包括氧化铝，氧化硅，氧化钛，氧化镁中的至少一种。

根据本发明的一些实施例，所述支撑体层的制备原料还包括助剂，所述助剂包括高岭土、糊精和羧甲基纤维素中的至少一种。

根据本发明的一些实施例，所述支撑体层的制备原料还包括莫来石和堇青石中的至少一种。

根据本发明的一些实施例，所述支撑体层的制备原料还包括水。

根据本发明的一些优选地实施例，所述支撑体层的制备原料包括氧化铝、莫来石、堇青石、高岭土、糊精、羧甲基纤维素和水。

根据本发明的一些优选地实施例，按重量份计，所述支撑体层的制备原料包括氧化铝14～16份、莫来石39～41份、堇青石34～36份、高岭土4～6份、糊精3～5份、羧甲基纤维素0.5～1.5份和水4～6份。

根据本发明的一些实施例，所述中间层的制备原料包括氧化铝，氧化硅，氧化钛，氧化镁中的至少一种。

根据本发明的一些实施例，所述氧化钛包括微粉氧化钛；所述微粉氧化钛的D50为50～150nm；所述微粉氧化钛的粒度分布系数为0.4～1。

粒度分布系数的计算方法为(D90-D10)/D50。

上述微粉氧化钛作为制备原料有利于将物料接触层的孔径保持在0.05～1μm的较窄的范围内从而避免细小粉尘进入陶瓷膜内部。

根据本发明的一些实施例，所述中间层的厚度为0.5～1mm。

根据本发明的一些实施例，所述物料接触层的厚度为10～100nm。

据本发明的一些实施例，所述支撑体层的厚度为0.5～1mm。

根据本发明的一些优选地实施例，所述陶瓷膜为板状和筒状中的至少一种。

根据本发明的第二个方面提出了一种陶瓷膜的制备方法，包括：

S1：将所述支撑体层的制备原料混合后热处理得到支撑体层；

S2：将所述支撑体层含浸于所述中间层的制备原料的浆料中后热处理得到支撑体层和中间层的复合层；

S3：将所述复合层含浸于所述物料接触层的制备原料的浆料中，干燥后热处理。

根据本发明的一些优选地实施例，步骤S1中，所述支撑体层的制备方法为将所述支撑体层的制备原料混合成型后热处理得到支撑体层。

根据本发明的一些实施例，所述支撑层的制备方法包括：将所述支撑层的制备原料混合压制、干燥、热处理后得到所述支撑层。

根据本发明的一些实施例，所述支撑层的制备方法中，所述热处理的温度为1300～1400℃。

根据本发明的一些实施例，步骤S2中，所述热处理的温度为400～600℃。

根据本发明的一些实施例，步骤S2中，所述中间层的制备原料的颗粒均大于支撑层中原料颗粒。

根据本发明的一些实施例，步骤S3中，所述物料接触层的制备原料的浆料的粘度为145～155mPa·s，

根据本发明的一些实施例，步骤S3中所述物料接触层的制备原料的浆料的制备包括用分散剂分散。

根据本发明的一些实施例，步骤S3中，所述分散的时间为20min。

根据本发明的一些实施例，步骤S3中，所述热处理包括第一次热处理和第二次热处理。

根据本发明的一些实施例，步骤S3中，所述第一次热处理的温度为400～600℃。

本发明的第一次热处理下能够实现树脂的去除。

根据本发明的一些实施例，步骤S3中，所述第二次热处理的温度为1300～1400℃。

根据本发明的一些实施例，步骤S3中，所述第二次热处理的时间为4～6h。

根据本发明的第三个方面提出了一种滤芯，所述滤芯包括所述的陶瓷膜；

所述滤芯中包括粉尘接触区域，以及远离所述粉尘接触区域一侧的反吹区域；

所述粉尘接触区域为所述的陶瓷膜的物料接触层；

所述反吹区域为所述的陶瓷膜的支撑体层。

根据本发明的一些实施例，所述滤芯的粉尘接触区域设置有粉尘过滤敞孔，所述粉尘过滤敞孔包括封孔部；所述粉尘过滤敞孔的封孔部为物料接触层；

所述滤芯的反吹区域设置有反吹气体敞孔，反吹气体敞孔包括封孔部；所述反吹气体敞孔的封孔部为支撑体层。

本发明的滤芯工作过程中，含有粉尘微粒的气体从粉尘过滤敞孔进入滤芯，其中气体通过滤芯内部的本身的微孔和反吹气体敞孔相连，从反吹气体敞孔排出，粉尘吸附并附着在物料接触层表面，若没有设置反吹气体敞孔，气体通过滤芯内部的本身的微孔的空隙排出，阻力较大，工作效率低。运行一段时间后，停止粉尘微粒的气体的加入，用高压反吹气体，从反吹气体敞孔注入，将吸附在物料接触层表面的粉尘从表面吹出，回收。若没有设置反吹气体敞孔，导致反吹气体的压力下降，反吹效果降低。重复上述操作可以实现含有粉尘微粒的气体中的粉尘微粒和气体的分离，其中气体根据排放标准可以排除，固体根据需要回收。

根据本发明的一些实施例，所述粉尘过滤敞孔的个数不小于一个。

根据本发明的一些实施例，所述反吹气体敞孔的个数不小于一个。

粉尘过滤敞孔的增加，可以实现本发明的滤芯的过滤面积的增加，有效提升滤芯的对于含有粉尘微粒的气体的处理量。

根据本发明的一些优选地实施例，所述粉尘过滤敞孔为所述陶瓷膜围绕而成的单向敞口的筒状结构。

根据本发明的一些优选地实施例，所述筒状结构中，由外至内依次为物料接触层、中间层和支撑体层。

本发明的滤芯工作过程中，含有粉尘微粒的气体从物料接触层进入滤芯，从敞口的上端开口排出，粉尘微粒吸附在物料接触层的表面。工作一段时间后，关闭粉尘微粒的气体进入，用高压反吹气体，从敞口注入，将吸附在物料接触层表面的粉尘从表面吹出。

其中气体通过滤芯内部的本身的微孔和反吹气体敞孔相连，从反吹气体敞孔排出，粉尘吸附并附着在物料接触层表面，若没有设置反吹气体敞孔，气体通过滤芯内部的本身的微孔的空隙排出，阻力较大，工作效率低。运行一段时间后，停止粉尘微粒的气体的加入，用高压反吹气体，从反吹气体敞孔注入，将吸附在物料接触层表面的粉尘从表面吹出，回收。若没有设置反吹气体敞孔，导致反吹气体的压力下降，反吹效果降低。重复上述操作可以实现含有粉尘微粒的气体中的粉尘微粒和气体的分离，其中气体根据排放标准可以排除，固体根据需要回收。

根据本发明的第四个方面提出了一种滤芯在过滤金属粉尘气体中的应用。

本发明的滤芯因具有陶瓷材质因此具有耐高温耐腐蚀的特性，可用于各种常温、高温和含有腐蚀性气体的固气分离。

锂电领域有很多粉尘微粒的气体固气分离的步骤，目前主要采用布袋式过滤器，但由于锂电领域的镍钴锰等有价元素的粉体材料质地坚硬细小，容易造成布袋快速磨损出现漏粉的现象。锂电材料粉体中含有镍钴锰等有价元素，一方面粉体流失增加了生产成本，另一方面重金属元素露出也会对环境造成污染。本发明的滤芯作为固气分离装置可以有效提升金属粉尘的回收率，降低生产成本，同时滤芯的使用寿较长，减少了设备维护已经更换的频率。

附图说明

图1为实施例1的陶瓷膜示意图；

图2为实施例6的陶瓷膜滤芯；

图3为实施例6的陶瓷膜滤芯；

图4实施例6的陶瓷膜滤芯；

图5为实施例1的陶瓷膜的细孔容积和细孔径的分布；

图6为对比例1的陶瓷膜的细孔容积和细孔径的分布；

图7实施例7的陶瓷膜滤芯。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

本实施例提供了一种陶瓷膜的制备方法，陶瓷膜如图1所示，细孔容积和细孔径的分布如图5所示，具体步骤为：

S1：以氧化铝，莫来石，堇青石为核心材料混合压制，莫来石粉末重量份数40％，堇青石粉末重量分数35％，氧化铝重量份数15％，高岭土5％，糊精4％，羧甲基纤维素1％，莫来石和堇青石由不同的颗粒调配而成。另加入总质量分数的5％的水混合均匀后，压制成型后，常温下静置1天晾干后，在烧结炉中1350℃下烧结后得到支撑体层，厚度为1mm。

S2：使用氧化铝，莫来石，堇青石等为材料，调配成浆料，将步骤S1中的支撑体层经过含浸成膜后干燥，600℃下热处理得到支撑体层和中间层的复合层，中间层的厚度为1mm，其中所使用莫来石和堇青石的颗粒均大于S1中所使用的颗粒；

S3：用粒度分布D50为100nm，粒度分布系数为0.6的氧化钛粉末，加入高速分散机，同时加入水性丙烯酸类树脂5％，以及聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)2％，在高速分散机中快速分散20min中，调整混合浆料粘度在150mPa·s，含浸于复合层成膜后，干燥，600℃以下预烧除胶除树脂，最后在1350℃下再次烧结5小时后得最终产品，物料接触层的厚度为100nm，使用孔径分布仪(POLORUX1000)检测S3层的孔径分布，计算可得细孔容积90％的孔径/细孔容积50％的容积得1.2。

实施例2：

本实施例提供了一种陶瓷膜的制备方法，本实施例和实施例1的区别在于S3层所采用的二氧化钛的粒度分布系数在0.8，其余条件相同。

实施例3：

本实施例提供了一种陶瓷膜的制备方法，本实施例和实施例1的区别在于制作S3浆料时不加入特制添加剂材料，其余条件相同。

实施例4：

本实施例提供了一种陶瓷膜的制备方法，本实施例和实施例1的区别在于S3层所采用的二氧化钛的粒度分布系数在1.0，其余条件相同。

实施例5：

本实施例提供了一种陶瓷膜滤芯的制备方法，陶瓷膜滤芯如图2，图3所示实施例6制备得到的陶瓷膜滤芯如所示，具体步骤为：

S1：以氧化铝，莫来石，堇青石为核心材料混合压制，晾干后，在1350℃下烧结后得到滤芯的支撑体层；

S2：使用氧化铝，莫来石，堇青石等为材料，调配成浆料，将滤芯的粉尘过滤敞孔经过含浸成膜后干燥，600℃下热处理；

S3：用粒度分布D50为100nm，粒度分布系数为0.8的氧化钛粉末，通过特定的树脂配成一定浓度的浆料，含浸于滤芯的粉尘过滤敞孔后干燥，600℃以下预烧除胶除树脂，最后在1350℃下再次烧结。

本实施例的陶瓷膜滤芯有21个粉尘过滤敞孔，12个反吹气体敞孔。

实施例6：

本实施例提供了一种陶瓷膜滤芯的制备方法，陶瓷膜滤芯如图7所示，具体步骤为：

S1：以氧化铝，莫来石，堇青石为核心材料混合压制，晾干后，在1350℃下烧结后得到筒状结构的滤芯的支撑体层；

S2：使用氧化铝，莫来石，堇青石等为材料，调配成浆料，筒状结构的外层经过含浸成膜后干燥，600℃下热处理；

S3：用粒度分布D50为100nm，粒度分布系数为0.8的氧化钛粉末，通过特定的树脂配成一定浓度的浆料，含浸于筒状结构的外层后干燥，600℃以下预烧除胶除树脂，最后在1350℃下再次烧结。

实施例7：

本实施例提供了一种陶瓷膜滤芯，本实施例为将实施例6制备得到的两个陶瓷膜滤芯进行组装得到，如图4所示。

对比例1

本对比例提供了一种陶瓷膜的制备方法，本对比例和实施例1的区别在于不包括实施例1中的中间层，细孔容积和细孔径的分布如图6所示，其余条件相同。

对比例2

本对比例提供了一种陶瓷膜的制备方法，本对比例和实施例2的区别在于氧化钛粉末的粒径为1微米其余条件相同。

对比例3

本对比例提供了一种陶瓷膜的制备方法，本对比例和实施例2的区别在于S3浆料所使用的粘合剂树脂为聚氨酯类

对比例4

本对比例提供了一种陶瓷膜的制备方法，本对比例和实施例6的区别在于不包括实施例6中的粉尘过滤敞孔，其余条件相同。

对比例5

本对比例提供了一种陶瓷膜的制备方法，本对比例和实施例6的区别在于不包括实施例6中的反吹气体敞孔，其余条件相同。

对比例6：

本实施例提供了一种陶瓷膜的制备方法，本实施例和实施例1的区别在于S3层所采用的二氧化钛的粒度分布系数在1.5，其余条件相同。

测试例1：

将上述实施例和对比例制得的陶瓷膜滤芯进行性能测试，尺寸直径5cm，长度10cm装入实验用不锈钢外壳，具体步骤为将含有镍钴锰粉尘的气体(粉尘含有量20％，D50：2um)连续通入含有陶瓷膜滤芯固气分离器，通过设置运行程序，运行30min后，使用2bar的压力进行反吹，并收集反吹所收集的粉尘。通过计算相同时间的回收固体量和固体粉尘量的比值得到固体的回收率为99％。结果如表1所示。

表1.陶瓷膜滤芯性能测试

如上述结果，在制作物料接触层涂层时原料粒径分布的控制对最终支撑滤芯的回收率有明显的影响。对比例1中，由于缺乏中间层，而支撑层和物料接触层的所采用的颗粒分布偏差较大，在支撑层上并没有形成相对均匀的细孔经涂层，因此过滤效果较差。对比例2中由于物料接触层所选用的颗粒偏大，在形成物料接触层细孔偏大，会造成部分细小颗粒容易浸入物料接触层层内部，从而阻塞孔径降低回收率。对于对比例3，选用聚氨酯材料为粘合剂，浆料均匀度上相比采用丙烯酸树脂类稍差，也在一定程度上造成所形成的孔径不均一，从而降低回收效果。对比例4由于没有物料接触层，粉尘会很快阻塞孔隙，无法使用；对比例5中没有反吹孔，由于粉尘很快会在S3表面堆积，堆积变厚后也会失去过滤的功能。

测试例2：

将上述实施例和对比例制得的陶瓷膜的物料接触层进行细孔容积和细孔径的测试结果如表2所示。

表2.陶瓷膜性能测试

以上可物料接触层需要控制细孔分布系数在1.5以下时，对粉尘的分离效果达到最好的效果，越接近于1，即说明细孔经分布越接近，这可以降低细粉进入孔径内部造成阻塞，降低回收效率。

以上所述为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明权利要求的保护范围之内。