专利名称：一种自动涂膜装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种自动涂膜装置，尤其涉及一种陶瓷超滤膜的自动涂膜装置。
背景技术：
无机陶瓷膜作为一种新型的分离介质与有机膜相比，具有化学稳定性好、机械强 度大、抗生物腐蚀能力强、孔径分布窄、耐高温以及无毒等特点，在生物、环保、食品及化工 等领域得到广泛的应用。陶瓷膜的制备方法主要有固态粒子烧结法和溶胶_凝胶法两种，其中溶胶-凝 胶法具有纯度高、均勻度高、反应过程易于控制等优点被更广泛的用于制备陶瓷膜。而溶 胶_凝胶法制备的膜材料均存在孔径分布较宽、孔隙率较低(通常在30 40% )、孔径不 易调控等缺点，特别是在小孔径陶瓷膜的制备过程中这些问题更加明显。CN101265113A中 提到采用模板法制备小孔径陶瓷超滤膜，利用模板剂的组装行为调控膜材料的微观结构从 而达到控制膜孔径的目的。目前，已商品化的陶瓷超滤膜的品种主要有4nm、20nm和50nm三种，但规模化应 用的陶瓷超滤膜仅有20nm和50nm两种，限制小孔径的陶瓷超滤膜推广应用的主要原因 是溶胶的制备严格，受许多因索控制涂膜时，由于溶胶粒子的粒径远远小于多孔支撑体 的孔径，造成溶胶在支撑体上产生不同程度的内渗；由于溶胶粒子内渗深度难以掌握，容 易阻塞支撑体的孔道，造成阻力变大，渗透量减小；虽然通过增加一层甚至多层中间过渡 层会减少溶胶的内渗现象，但是过渡层的增加会导致膜在使用过程中存在较大的阻力。 CN101265123A中提出一种小孔径陶瓷超滤膜的制备方法，通过有机物溶液处理具有较大孔 径的支撑体，以达到减少溶胶内渗现象。然而该方法仅仅是对支撑体进行处理，利用堵孔达 到减少内渗的效果，而对于不易转化为凝胶的溶胶或小粒径的溶胶，仅采用该方法制备的 膜的成品率偏低。陶瓷膜制备过程主要有三个步骤涂膜、干燥、烧结。其中涂膜和干燥过程对膜层 的成品率及完整性起着至关重要的作用。在涂膜过程中，涂膜液的粘度与支撑体的浸浆时 间和浸浆次数决定了膜层的厚度，在相同的涂膜液粘度条件下浸浆时间越长膜层越厚，但 超过一定厚度就会导致膜层的开裂，形成不了完整的膜层。另外，在湿膜的干燥过程中，温 度和湿度影响了膜层的完整性。其中温度的影响主要为以下2个方面1、温度的升高有利 于溶剂的挥发，可以缩短凝胶时间，从而减少内渗现象；2、过高温度会使得凝胶层在干燥过 程中出现开裂现象，导致膜层不完整。目前管式膜的制备工艺中，采用的均为静态的提拉浸渍，通过液位差来输送涂膜 液，涂膜结束后将其转移到高温条件下烘干，该方法存在以下不足1、整个过程均为非连续操作，延长了制膜时间、制备过程复杂；2、膜厚的控制仅靠浸浆时间控制，增加了内渗现象的发生，通量下降；3、环境中的湿度、粉尘等因素对制备过程影响较大，导致成品率低；发明内容本实用新型的目的是提供一种涂膜装置，它能克服现行制备陶瓷超滤膜方法的 缺点和不足，将涂膜和干燥过程集成到一个装置中，减少涂膜中溶胶在支撑体孔内的内渗 现象以及制备过程中环境因素的影响，简化工艺，提高成品率，实现自动化，制备出孔径为 2-10nm的小孔径陶瓷超滤膜。本实用新型的主要技术方案如下一种自动涂膜装置，其特征在于由可控温无尘 橱E、溶胶瓶A、流量计C、泵B、支撑体D以及恒温恒湿箱或烘箱E组成；溶胶瓶A置于可控 温无尘橱E中，支撑体D置于恒温恒湿箱或者烘箱E中，溶胶瓶A上端口 b经管路连接到支 撑体D上端c，溶胶瓶上端口 a经管路顺序经过泵B、流量计C后与支撑体下端d连接。上述的支撑体D为具有平均孔径为50-200nm单管或多通道管式陶瓷支撑体；通道 形状是圆形、扇形、方形、星型或六角形。上述的泵为柱塞泵、蠕动泵或齿轮泵。膜面流速通过泵控制为0. lm/s-lm/s ；循环 次数为1-10次。利用上述装置制备陶瓷超滤膜的方法，其具体步骤为首先将支撑体D置于恒温 恒湿箱或烘箱E中进行预热处理；随后将涂膜液从溶胶瓶上端口 a经泵B循环由支撑体D 下端d进入冲刷支撑体进行涂膜，再由支撑体上端c流出从溶胶瓶A上端口 b回到溶胶瓶 中；涂膜后将表面含有涂层的支撑体在恒温恒湿或烘箱E中保温保湿；然后将湿膜晾干，焙 烧后得到陶瓷超滤膜。本实用新型所述的涂膜液是至少含有钛、铝、锆、硅元素中的一种元素的溶胶，这 些元素在溶胶中的总含量0.01-2mol/L，溶胶制备所使用的溶剂为乙醇、丙醇、异丙醇、丁 醇、甲酰胺或二甲基甲酰胺；本实用新型制备过程中支撑体的预处理是在恒温恒湿箱或烘箱E中进行，预热温 度为40-100°C，预热湿度为20-99%，预热时间为0. l-10h ；含有溶胶涂层保温保湿过程的 温度由溶剂的沸点决定，控制在40-100°C ；湿度控制在20-99% ；保温保湿时间为0. l_24h ； 湿膜的晾干温度为20-100°C，湿度为20-99%，晾干时间为0. l_24h ；含涂层的撑体的焙烧 温度在100 1000°C，升温速度为0. 1-5°C /min，焙烧时间在0. 5 24h。本实用新型所制备的陶瓷超滤膜的膜孔径为2-lOnm，该膜对分子量为 1500-70000Da的葡聚糖的截留率为90-99. 9%，根据本实用新型若采用不同孔径的支撑体 可制备出不同孔径的膜。本实用新型的特点在于涂膜前首先对支撑体进行热处理，提高其表面温度，在具 有较高温度的支撑体表面进行涂膜有利于湿膜的凝胶化，减少内渗现象。涂膜液的循环依 靠泵实现，通过改变泵的流速和涂膜液的循环的次数控制膜层厚度，实现了涂膜工艺的自 动化、可控化。通过将涂膜装置和干燥装置进行集成缩短涂膜的工艺流程，涂膜和干燥在同 一装置中进行，节约时间的同时避免了环境中的不可控因素对制膜的影响。此方法可以缩 短膜制备周期、节约成本、提高制膜的成品率。有益效果1、利用将涂膜装置和干燥装置进行集成，缩短了涂膜工艺，减少了环境因素对制 备过程的影响，提高了产品的成品率。2、通过改变泵的转速可以有效调节涂膜液在支撑体上的冲刷速率，同时有效地控
4制膜厚，操作简单。3、通过对支撑体的预热处理，涂膜过程发生在较高温度的支撑体表面加快了溶胶 涂层的凝胶化；改变湿膜的干燥条件可将膜层快速凝胶化，成功缩短了溶胶涂层在支撑体 上转化为凝胶的时间，减少涂膜液的渗入，有利于形成完整的膜层，提高膜的截留率。
图1为快速凝胶化制备陶瓷膜的涂膜装置示意图，其中A为溶胶瓶、B为泵、C为流 量计、D为单管或者多通道支撑体、F为可控温无尘橱、E为恒温恒湿箱或者烘箱；图2A为实例2中制备陶瓷超滤膜对葡聚糖的截留曲线图，其中1为制备陶瓷超滤 膜对葡聚糖的截留曲线图，2为对应支撑体对葡聚糖的截留率曲线。图2B为实例3中制备陶瓷超滤膜对葡聚糖的截留曲线图；其中3为所制备陶瓷超 滤膜对葡聚糖的截留曲线，4为对应支撑体对葡聚糖的截留率曲线。图2C为实例4中制备陶瓷超滤膜对葡聚糖的截留曲线图；其中5为中所制备陶瓷 超滤膜对葡聚糖的截留曲线，6为对应支撑体对葡聚糖的截留率曲线。图2D实例5中制备陶瓷超滤膜对葡聚糖的截留曲线图；其中7为所制备陶瓷超滤 膜对葡聚糖的截留曲线，8为对应支撑体对葡聚糖的截留率曲线。图2E实例6中制备陶瓷超滤膜对葡聚糖的截留曲线图；其中9为所制备陶瓷超滤 膜对葡聚糖的截留曲线，10为对应支撑体对葡聚糖的截留率曲线。图2F中实例7中制备陶瓷超滤膜对葡聚糖的截留曲线图，其中11为所制备陶瓷 超滤膜对葡聚糖的截留曲线，12为对应支撑体对葡聚糖的截留率曲线。
具体实施方式
实施例1 如图1所示，将涂膜液置于圆柱型玻璃溶胶瓶A (外观尺寸为小50cmX 100cm)内， 孔径为lOOnm的单管A1203支撑体D放置于烘箱(上海一恒仪器，9420A)E中，溶胶瓶A的上 端口 b经PVC透明塑料管与支撑体D的上端口 c相连，溶胶瓶A的上端口 a经PVC透明塑 料管顺序连接齿轮泵(南京欧瑞克，MG317WB)B、转子流量计(北京北分天普仪器，LZW-11) 后与支撑体下端口 d相连。实施例2 本例中采用的涂膜液为以乙醇为溶剂的钛溶胶，其中钛含量为1. 25mol/L,将溶 胶倒入溶胶瓶A中，其中溶胶瓶A放置在可控温无尘厨F中，通过齿轮泵B (南京欧瑞克， MG317WB)循环对孔径为lOOnm的单管A1203支撑体D进行涂膜。涂膜前先将支撑体D置于 在60°C、湿度40%的恒温恒湿箱E中预热处理0. 2h。涂膜过程中通过齿轮泵泵B控制膜 面流速为0. 5m/s，循环次数为10次；涂膜结束后，表面含有涂层的支撑体D继续在40°C、 湿度40%的恒温恒湿箱E中放置15min，膜层快速凝胶，然后继续在40°C、湿度40%下晾干 lh，最后以1°C /min升温速率升至400°C后煅烧5h得到孔径为5. 2nm、孔隙率为42%的管 式Ti02陶瓷超滤膜，该陶瓷超滤膜对葡聚糖的截留曲线如图4A所示。实施例3 本例中采用的涂膜液为以二甲基甲酰胺为溶剂的锆溶胶，其中锆含量为0. 05mol/ L，将溶胶倒入溶胶瓶A中，其中溶胶瓶A放置在可控温无尘厨F中，通过蠕动泵B (保定兰单管A1203支撑体D进行涂膜。涂膜前先将支撑体D在100°C、 湿度30%的恒温恒湿箱E中预热处理lh。涂膜过程中通过蠕动泵B控制膜面流速为0. lm/ s，循环次数为3次；涂膜结束后，表面含有涂层的支撑体D继续在70°C、湿度20%的恒温恒 湿箱C中放置0. lh，膜层快速凝胶，然后继续在60°C、湿度20%下晾干24h，最后以0. 3°C / min升温速率升至400°C后煅烧lh得到孔径为2. 9nm、孔隙率为32%的管式&02陶瓷超滤 膜，该陶瓷超滤膜的表面电镜图如图2所示，所制备的陶瓷膜表面完整无缺陷，其对葡聚糖 的截留曲线如图4B所示。实施例4 本例中采用的涂膜液为以丁醇为溶剂的铝溶胶，其中铝含量为1. 5mol/L，将溶胶 倒入溶胶瓶A中，其中溶胶瓶A放置在可控温无尘厨F中，通过蠕动泵B (保定兰格YZ35)循 环对孔径为lOOnm单管A1203支撑体D进行涂膜。涂膜前先将支撑体D在60°C、湿度50% 的恒温恒湿箱E中预热处理3h ；涂膜过程中通过蠕动泵B控制膜面流速为0. 4m/s，循环次 数为5次；涂膜结束后，表面含有涂层的支撑体D继续在50°C、湿度90%的恒温恒湿箱E中 放置0. lh,膜层快速凝胶，然后继续在40°C、湿度90%下晾干5h，最后以3°C /min升温速率 升至350°C后煅烧24h得到孔径为6. lnm、孔隙率为45%的管式A1203陶瓷超滤膜，该陶瓷 超滤膜的断面电镜图如图3所示，所制备的陶瓷膜膜层与支撑体有很好的嵌合其厚度约为 3 u m左右，其对葡聚糖的截留曲线如图4C所示。实施例5 本例中采用的涂膜液为以丙醇为溶剂的铝-锆复合溶胶，其中锆，铝含量分别为 1. 5mol/L和1. Omol/L，将溶胶倒入溶胶瓶A中，其中溶胶瓶A放置在可控温无尘厨F中，通 过柱塞泵B (上海启高高压油泵，SCY14-1B)循环对孔径为50nm的多通道管式A1203支撑体 D进行涂膜。涂膜前先将支撑体D在70°C、湿度40%的恒温恒湿箱E中预热处理0. 5h ；涂 膜过程中通过柱塞泵控制膜面流速为0. 5m/s，循环次数为4次；涂膜结束后，表面含有涂层 的支撑体D在继续在50°C、湿度40%的恒温恒湿箱E中放置0. lh,膜层快速凝胶，然后继续 在40°C、湿度40%下晾干24h，最后以5°C /min升温速率升至600°C后煅烧24h得到孔径为 7. 3nm、孔隙率为42%的多通道管式铝-锆复合陶瓷超滤膜，该陶瓷超滤膜对葡聚糖的截留 曲线如图4D所示。实施例6:本例中采用的涂膜液为以异丙醇为溶剂的铝溶胶，其中铝含量为2mol/L，将溶胶 倒入溶胶瓶A中，其中溶胶瓶A放置在可控温无尘厨F中，通过蠕动泵B (保定兰格YZ2515) 循环对孔径为200nm的单管式A1203支撑体D进行涂膜。涂膜前先将支撑体D在70°C的恒 温恒湿箱E中预热处理lh ；涂膜过程中通过蠕动泵B控制膜面流速为0. 2m/s,循环次数为 4次；涂膜结束后，表面含有涂层的支撑体D在继续在70°C烘箱E中放置0. lh,膜层快速凝 胶，然后继续在60°C下晾干10h，最后以5°C /min升温速率升至400°C后煅烧得到孔径为 9. 3nm、孔隙率为36%的管式A1203陶瓷超滤膜，该陶瓷超滤膜对葡聚糖的截留曲线如图4E 所示。实施例7 本例中采用的涂膜液为以甲酰胺为溶剂的硅溶胶，其中硅含量为0.5mol/L，将 溶胶倒入溶胶瓶A中，其中溶胶瓶A放置在可控温无尘厨F中，通过蠕动泵B (保定兰格
6YZ2515)循环对孔径为200nm的单管式Al2O3支撑体D进行涂膜。涂膜前先将支撑体D在 90°C的恒温恒湿箱E中预热处理IOh ；涂膜过程中通过蠕动泵控B制膜面流速为0. 3m/s，循 环次 数为4次；涂膜结束后，表面含有涂层的支撑体D继续在100°C烘箱E中放置lOmin，膜 层快速凝胶，然后继续在60°C下晾干8h，最后以1°C /min升温速率升至450°C后煅烧IOh 得到孔径为lOnm、孔隙率为45%的管式SiO2陶瓷超滤膜，该陶瓷超滤膜对葡聚糖的截留曲 线如图4F所示。
权利要求一种自动涂膜装置，其特征在于由可控温无尘橱E、溶胶瓶A、流量计C、泵B、支撑体D以及恒温恒湿箱或烘箱E组成，溶胶瓶A置于可控温无尘橱E中，支撑体D置于恒温恒湿箱或者烘箱E中，溶胶瓶A上端口b经管路连接到支撑体D上端c，溶胶瓶上端口a经管路顺序经过泵B、流量计C后与支撑体下端d连接。
2.根据权利1所述的装置，其特征在于所述的支撑体为具有平均孔径为50-200nm单管 或多通道管式陶瓷支撑体；通道形状是圆形、扇形、方形、星型或六角形。
3.根据权利1所述的装置，其特征在于所述的泵为柱塞泵、蠕动泵或齿轮泵。
专利摘要本实用新型涉及一种自动涂膜装置，由可控温无尘橱E、溶胶瓶A、流量计C、泵B、支撑体D以及恒温恒湿箱或烘箱E组成，溶胶瓶A置于可控温无尘橱E中，支撑体D置于恒温恒湿箱或者烘箱E中，溶胶瓶A上端口b经管路连接到支撑体D上端c，溶胶瓶上端口a经管路顺序经过泵B、流量计C后与支撑体下端d连接。本实用新型将涂膜和干燥两个操作集成到一个装置中，简化了实验过程，实现了操作在无尘环境中进行，涂膜过程中涂膜液的循环由泵完成，膜厚可以通过泵的流速和循环次数控制，使得操作可控化、自动化。利用此实用新型可在孔径为50-200nm的单管或多通道支撑体表面制备一种无需过渡层、完整无缺陷、截留率高的小孔径陶瓷膜。
文档编号B01D71/02GK201596472SQ20092023608
公开日2010年10月6日 申请日期2009年9月27日 优先权日2009年9月27日
发明者徐南平, 景文珩, 曹雪萍, 邢卫红 申请人:南京工业大学