一种饮水用陶瓷平板膜及其制备方法

技术领域

本发明属于陶瓷膜技术领域，具体涉及一种饮水用陶瓷平板膜及其制备方法。

背景技术

陶瓷平板膜是陶瓷膜的一种，是以无机陶瓷材料经特殊工艺制备而形成的非对称膜，一般包括支撑体、过渡层和分离层。陶瓷平板膜板面密布微孔，根据在一定的膜孔径范围内，渗透的物质分子直径不同则渗透率不同，以膜两侧的压力差为驱动力，膜为过滤介质，在一定压力作用下，当料液流过膜表面时，只允许水、无机盐、小分子物质透过膜，而阻止水中的悬浮物、胶和微生物等大分子物质通过。

现有饮水用陶瓷平板膜主要问题存在于陶瓷平板膜在制备支撑体、过渡层和分离层之间没有优化衔接，导致过渡层中细小粒子渗入支撑体间隙、分离层中细小粒子渗入过渡层，导致逐层堵孔，使得陶瓷平板膜存在过滤通量小；膜层渗入导致膜面并不平整，厚度不均匀，形成各种孔洞、裂纹等缺陷导致膜层分离精度低，严重制约着陶瓷平板膜在市政饮用水行业深入配套使用。

发明内容

技术问题：针对现有技术中存在的上述问题，本发明所要解决的技术问题在于提供一种饮水用陶瓷平板膜及其制备方法，提高膜层分离精度，提高平板膜通量。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种饮水用陶瓷平板膜，包括支撑体、第一封孔层、过渡层、第二封孔层和分离层；

所述支撑体包括以下原料及其质量份数：氧化铝50-75份，短切纤维3-6份，助熔剂0.5-3.5份，高岭土5-10份，成孔剂4-12份，粘合剂15-30份，润滑剂8-12份，增塑剂9-13份，水15-18份；

所述第一封孔层包括以下原料及其质量份数：活性炭30-40份、淀粉3-5份、聚乙烯醇水溶液2-4份、羟丙基甲基纤维素钠0.5-1.5份、水45-60份；

所述过渡层包括以下原料及其质量份数：氧化铝40-57份，高岭土10-15份、无水乙醇8-12份，聚乙烯醇水溶液10-20份，水40-50份；

所述第二封孔层包括以下原料及其质量份数：活性炭30-40份、淀粉3-5份、聚乙烯醇2-4份、羟丙基甲基纤维素钠0.5-1.5份、水45-60份；

所述分离层包括以下原料及其质量份数：二氧化锆40-43份，分散剂0.05-0.5份，稳定剂2-8份，水40-50份，乙醇1-3份，结合剂10-15份，聚乙烯醇水溶液10-20份。

本发明还提供了一种饮水用陶瓷平板膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)支撑体坯体的制备

短切纤维搅拌分散在水中，加入润滑剂和粘合剂，配制成溶液，加入氧化铝、助熔剂、高岭土、成孔剂和增塑剂，混合均匀，倒入练泥机中练泥，后放入陈腐箱内陈腐，陈腐后挤出成型制成支撑体坯体；

(2)支撑体坯体的干燥、烧结

微波干燥室内烘干坯体，烘干温度为60-100℃，烘干时间为10-30min，烘干坯体后烧结，烧结温度为1300-1350℃，时间为3-5h，制得陶瓷平板膜支撑体。

优选的，喷涂法制备所述第一封孔层，包括以下步骤：

(1)将活性炭粉、淀粉、甲基、聚乙烯醇水溶液与水混合，经超声处理后0.5-2h，加入到球磨机中混合15～20h得到悬浮封孔剂浆料；

(2)将悬浮封孔剂浆料用气动喷枪均匀喷涂在平板膜支撑体表面及侧边，进行5-10h干燥得到已封孔陶瓷平板膜支撑体。第一封孔层厚度为100-200μm。

优选的，浸涂法制备所述过渡层，包括以下步骤：

(1)将氧化铝粉与分散剂、稳定剂、水混合，经超声处理后0.5-2h，加入到球磨机中与高岭土混合8～15h形成悬浮过渡层浆料；

(2)将已封孔干燥的陶瓷平板膜支撑体，用夹具夹持两端，以侧向为上下面，均匀浸没并悬浮过渡层浆料中，上膜后均匀上提，待板面膜浆完全渗入后拆卸夹具放入指定干燥架上待干燥，在平板陶瓷膜支撑体上形成过渡膜层，过渡层厚度为50-80μm；所述过渡膜层进行2-5h干燥后，得到含有干燥的过渡层的陶瓷平板膜支撑体。

优选的，喷涂法制备所述第二封孔层，包括以下步骤：

(1)将活性炭粉、淀粉、甲基、聚乙烯醇水溶液与水混合，经超声处理后0.5-2h，加入到球磨机中混合15～20h得到悬浮封孔剂浆料；

(2)将悬浮封孔剂浆料用气动喷枪均匀喷涂在过渡层表面，进行5-10h干燥得到过渡层已封孔的陶瓷平板膜支撑体，第二封孔层厚度为50-100μm。

优选的，浸涂法制备所述分离层，包括以下步骤；

(1)将二氧化锆、分散剂、稳定剂、水混合，经超声处理后2-4h，加入到球磨机中混合20～24h形成悬浮分离层浆料；

(2)将过渡层已封孔的陶瓷平板膜支撑体，用夹具夹持两端，以侧向为上下面，均匀浸没并悬浮分离层浆料中，上膜后均匀上提，待板面膜浆完全渗入后拆卸夹具放入指定干燥架上待干燥，在平板陶瓷膜支撑体上形成分离层，分离层厚度为20-50μm；所述分离层干燥后，得到含有干燥的分离层、第二封孔层、过渡层和第一封孔层的陶瓷平板膜支撑体。

优选的，一次烧结，包括以下步骤：：

将含有干燥的分离层、第二封孔层、过渡层和第一封孔层的陶瓷平板膜支撑体在窑中烧成，在第一温度下保温3～5h，最后在第二温度下保温1～2h，即得到饮水用陶瓷平板膜。

优选的，所述第一温度为300-650℃，以120℃/h速率从室温升温到所述第一温度，所述第二温度为1200-1350℃，以150℃/h升温速率从第一温度升温到所述第二温度。

优选的，在所述浸涂法制备过渡层和所述浸涂法制备分离层中，所述夹具包括第一硅胶套和第二硅胶套，所述第一硅胶套套在所述陶瓷平板膜支撑体的一端并密封陶瓷平板膜支撑体的水道，所述第二硅胶套上设有气道以及与所述气道连通的抽吸口，所述第二硅胶套套在所述陶瓷平板膜支撑体的另一端，所述气道与所述陶瓷平板膜支撑体的水道连通，利用抽真空管路接入所述抽吸口，当陶瓷平板膜支撑体均匀浸没在过渡层浆料中时，采用真空吸附3-10S上膜，吸附压力为-0.05～-0.08M，当陶瓷平板膜支撑体均匀浸没在分离层浆料中时，采用真空吸附2-5S上膜，吸附压力为-0.05～-0.08M。

优选的，所述成孔剂为淀粉，所述润滑剂为甘油，所述粘合剂为聚乙烯醇水溶液，所述增塑剂为羟丙基甲基纤维素钠，所述短切纤维为闭合针状氧化铝纤维，直径为2-5μm经切断后长径比大于100。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：1、通过在陶瓷平板膜支撑体表面与过渡层表面增加封孔层，在过渡层与分离层衔接之间再增加一层封孔层，同时两层封孔层可在烧制过程中排出，不影响膜层厚度，增加封孔层改善了现有技术多层结构相互嵌入堵孔导致产品过滤通量低，膜层不平整导致过滤精度差异较大等缺陷；2、通过优选低温助剂配套温度，过渡层与分离层采用不同骨料砂，越粗的骨料砂烧结温度也越高，通过烧结助剂的优选将过渡层的烧结温度降至分离层的烧结温度，达到多次涂覆一次烧结的效果，使得第一封孔层、过渡层、第二封孔层、分离层四层涂覆干燥后一次快烧工艺制作出的高精度陶瓷平板膜产品，对比现有的多次涂覆多次烧成工艺大大节省了烧成成本；3、浸涂法制备中夹具使用硅胶套，利用硅胶套对浸没的平板膜进行抽真空，实现真空浸涂，真空浸涂法配合一次烧结工艺可以节省工序、成品率高、膜层厚度、膜面均匀一致、基本无孔缺陷，进一步稳定了陶瓷平板膜产品通量与精度稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例陶瓷平板膜支撑体和过渡层断面扫描电镜照片；

图2是对比例陶瓷平板膜支撑体和过渡层断面扫描电镜照片；

图3是本发明实施例陶瓷平板膜过渡层膜面扫描电镜照片；

图4是对比例陶瓷平板膜过渡层膜面扫描电镜照片；

图5是本发明实施例陶瓷平板膜支撑体、过渡层和分离层断面扫描电镜照片；

图6是对比例陶瓷平板膜支撑体、过渡层和分离层断面扫描电镜照片；

图7是本发明实施例陶瓷平板膜分离层膜面扫描电镜照片；

图8是对比例陶瓷平板膜分离层膜面扫描电镜照片；

图9是夹具夹持陶瓷平板膜结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

一种饮水用陶瓷平板膜，包括支撑体、第一封孔层、过渡层、第二封孔层和分离层，各层原料如以下表格所示：

表1支撑体原料规格表

表2第一封孔层和第二封孔层原料规格表

表3过渡层原料规格表

表4分离层原料规格表

本实施例还提供了一种饮水用陶瓷平板膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、按照表1的原料用量制备陶瓷平板膜支撑体；

步骤1.1、支撑体坯体的制备

短切纤维搅拌分散在水中，加入甘油和聚乙烯醇水溶液，配制成溶液，加入氧化铝粉、助熔剂(滑石粉)、高岭土、成孔剂(淀粉)和增塑剂(羟丙基甲基纤维素钠)，混合均匀，倒入练泥机中练泥，后放入陈腐箱内陈腐，陈腐后挤出成型制成支撑体坯体；

步骤1.2、支撑体坯体的干燥、烧结

微波干燥室内烘干坯体，烘干温度为60-100℃，烘干时间为10-30min，烘干坯体后烧结，在隧道窑中烧成，以80℃/h速率从室温到400℃；再以120℃/h升到1320℃，保温3小时，制得陶瓷平板膜支撑体。

步骤2、按照表2的原料用量制备第一封孔层；

步骤2.1、将活性炭粉、淀粉、羟丙基甲基纤维素钠、聚乙烯醇水溶液与水混合，经超声处理后0.5-2h，加入到球磨机中混合15～20h得到悬浮封孔剂浆料；

步骤2.2、将悬浮封孔剂浆料用气动喷枪均匀喷涂在平板膜支撑体表面及侧边，第一封孔层厚度100μm，进行5-10h干燥得到已封孔陶瓷平板膜支撑体。

步骤3、按照表3的原料用量制备过渡层；

步骤3.1、将氧化铝粉与分散剂(无水乙醇)、稳定剂(聚乙烯醇水溶液)、水混合，经超声处理后0.5-2h，加入到球磨机中与高岭土混合8～15h形成悬浮过渡层浆料；

步骤3.2、将已封孔陶瓷平板膜支撑体，用夹具夹持两端，以侧向为上下面，均匀浸没并悬浮过渡层浆料中，夹具包括第一硅胶套1和第二硅胶套2(如图9所示)，第一硅胶套1套在陶瓷平板膜支撑体的一端并密封陶瓷平板膜支撑体的水道91(水道91在陶瓷平板膜支撑体内部设置有多个)，第二硅胶套2上设有气道22以及与气道连通的抽吸口21，第二硅胶套2套在陶瓷平板膜支撑体的另一端，气道22与陶瓷平板膜支撑体的水道91连通，利用抽真空管路接入抽吸口21，当陶瓷平板膜支撑体均匀浸没在过渡层浆料中时，真空吸附3-10S上膜，吸附压力为-0.05～-0.08M，后均匀上提，待板面膜浆完全渗入后拆卸夹具放入指定干燥架上待干燥，在平板陶瓷膜支撑体上形成过渡膜层，厚度为80μm；过渡膜层干燥5h后，得到含有干燥的过渡层的陶瓷平板膜支撑体。

步骤4、按照表2的原料用量制备第二封孔层；

步骤4.1、将活性炭粉、淀粉、羟丙基甲基纤维素钠、聚乙烯醇水溶液与水混合，经超声处理后0.5-2h，加入到球磨机中混合15～20h得到悬浮封孔剂浆料；

步骤4.2、将悬浮封孔剂浆料用气动喷枪均匀喷涂在过渡层表面，第二封孔层厚度50μm，进行5h干燥得到过渡层已封孔的陶瓷平板膜支撑体。

步骤5、按照表4的原料用量制备分离层；

步骤5.1、将二氧化锆、分散剂(聚丙烯酰胺)、稳定剂(聚乙烯醇水溶液)和水混合，经超声处理后2-4h，加入到球磨机中混合20～24h形成悬浮分离层浆料；

步骤5.2、将过渡层已封孔的陶瓷平板膜支撑体，用夹具夹持两端，以侧向为上下面，均匀浸没并悬浮分离层浆料中，夹具包括第一硅胶套1和第二硅胶套2(如图9所示)，第一硅胶套1套在陶瓷平板膜支撑体的一端并密封陶瓷平板膜支撑体的水道91(水道91在陶瓷平板膜支撑体内部设置有多个)，第二硅胶套2上设有气道22以及与气道连通的抽吸口21，第二硅胶套2套在陶瓷平板膜支撑体的另一端，气道22与陶瓷平板膜支撑体的水道91连通，利用抽真空管路接入抽吸口21，当陶瓷平板膜支撑体均匀浸没在分离层浆料中时，采用真空吸附2-5S上膜，吸附压力为-0.05～-0.08MPa，后均匀上提，待板面膜浆完全渗入后拆卸夹具放入指定干燥架上待干燥，在平板陶瓷膜支撑体上形成分离层；所述分离层干燥5h后，得到含有干燥的分离层、第二封孔层、过渡层和第一封孔层的陶瓷平板膜支撑体。

步骤6、烧结；

将含有干燥的分离层、第二封孔层、过渡层和第一封孔层的陶瓷平板膜支撑体在隧道窑中烧成，以120℃/h速率从室温到300℃；保温3h，再以150℃/h升到1350℃，保温2小时，即得到饮水用陶瓷平板膜。

如图1和图5所示，烧结后第一封孔层和第二封孔层消失，支撑体、过渡层和分离层之间衔接很好、界限分明，过渡层中细小粒子没有渗入支撑体间隙，分离层中细小粒子也没有渗入过渡层，过渡层和分离层膜面平整，厚度均匀。

对比例

一种饮水用陶瓷平板膜，包括支撑体、过渡层和分离层，各层原料如以下表格所示：

表6支撑体原料规格表

表7过渡层原料规格表

表8分离层原料规格表

对比例陶瓷平板膜制备方法，包括以下步骤：

步骤1、按照表6的原料用量制备陶瓷平板膜支撑体；

步骤1.1、支撑体坯体的制备

短切纤维搅拌分散在水中，加入甘油和聚乙烯醇水溶液，配制成溶液，加入氧化铝粉、滑石粉、高岭土、成孔剂(淀粉)和增塑剂(羟丙基甲基纤维素钠)，混合均匀，倒入练泥机中练泥，后放入陈腐箱内陈腐，陈腐后挤出成型制成支撑体坯体；

步骤1.2、支撑体坯体的干燥、烧结

微波干燥室内烘干坯体，烘干温度为60-100℃，烘干时间为10-30min，微波干燥室内烘干坯体，烘干温度为60-100℃，烘干时间为10-30min，后在隧道窑中烧成，以80℃/h速率从室温到400℃；再以120℃/h升到1320℃，保温3小时，制得陶瓷平板膜支撑体。

步骤2、按照表7的原料用量制备过渡层；

步骤2.1、将氧化铝粉与分散剂(无水乙醇)、悬浮剂(聚乙烯醇水溶液)、水混合，经超声处理后0.5-2h，加入到球磨机中与高岭土混合8～15h形成悬浮过渡层浆料；

步骤2.2、采用手动气动喷枪，调节压力在0.3-0.5MPa压力下，将已制备的过渡层膜，膜喷涂在陶瓷平板膜支撑体形成过渡层，厚度在50-100μm；过渡层干燥后，得到含有干燥的过渡层的陶瓷平板膜支撑体。

步骤2.3、过渡层烧结；

将含有干燥的过渡层的陶瓷平板膜按照40℃-300℃(3-5℃/min)，300℃保温1h，300-900℃，900-1280℃(2℃-3/min)，继续在1280℃下保温3h，即得到含有过渡层的陶瓷平板膜。

步骤3、按照表8的原料用量制备分离层；

步骤3.1、将氧化锆、分散剂(聚丙烯酰胺、无水乙醇)、悬浮剂(聚乙烯醇水溶液)和水混合，经超声处理后2-4h，加入到球磨机中混合20～24h形成悬浮分离层浆料；

步骤3.2、采用手动气动喷枪，调节压力在0.3-0.5MPa压力下，将已制备的分离层，膜喷涂在已涂覆并烧成过渡层陶瓷平板膜上形成分离层，厚度在20-50μm；所述分离层干燥后，得到含有干燥的分离层、过渡层的陶瓷平板膜。

步骤4、烧结；

将干燥的分离层的陶瓷平板膜支撑体在隧道窑中烧成，以180℃/h速率从室温到300℃；保温3h，再以60℃/h升到1300℃，保温3小时，即得到对比例的饮水用陶瓷平板膜。

性能范围(表9)：

图1、3、5、7是实施例电镜照片，图2、4、6、8是对比例电镜照片，采用对比例中支撑体和过渡层分界不清晰，支撑体和过渡层中有孔洞(如图2和图6所示)，本发明工艺制作的陶瓷平板膜，支撑体、过渡层和分离层之间衔接很好，界限分明，过渡层中细小粒子没有渗入支撑体间隙，分离层中细小粒子也没有渗入过渡层(如图1和图5所示)，过渡层和分离层膜面平整，厚度均匀，无明显裂纹、孔洞缺陷(如图3和图7所示)，对比例中过渡层和分离层膜面不平整，膜面有明显孔洞和裂纹(如图4和图8所示)。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。