一种多通道型非对称不锈钢膜的制备方法
【专利摘要】本发明提供一种多通道型非对称不锈钢膜的制备方法。该膜的制备方法：首先用涂层技术将已配置的不锈钢粉末悬浮液A，B依次制备于刚性内模外表面，干燥后形成均匀的膜层；再将弹性外模、弹性堵头、固定槽以及多根已涂覆有膜层的内模组成模具，将两种粗细不同的不锈钢粉末按一定比例均匀混合后填满外模与内模之间的空腔。两端固定后放入密封套内采用冷等静压压制成型，脱模后将坯体在保护气或真空下高温烧结，即可制得高度非对称的多通道型多孔不锈钢膜。本发明可以制得无缺陷，通量高，结构稳定的多通道型非对称型不锈钢膜。
【专利说明】一种多通道型非对称不锈钢膜的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属膜【技术领域】，涉及一种多孔不锈钢膜材料的制备工艺，尤其涉及一种多通道型非对称不锈钢膜的制备方法。
【背景技术】
[0002]膜分离技术以其分离效果好、产品质量高、经济性好、基本没有相变、可在常温下连续操作、无二次污染、可拓展性好，容易实现工业化扩产需求、设备可自动运行，稳定性好，维护方便，与传统工艺相比节省能耗，并且还特别适用于热敏性物质的处理等优点，在石化、能源、制药、环保、生物工程等过滤分离领域应用广泛。
[0003]膜材料分为有机膜和无机膜，其中有机膜稳定性差，使用条件苛刻，其适用范围受到很大的限制；无机膜分为陶瓷膜和多孔不锈钢膜，其中陶瓷膜存在脆性，制作成本较高，相反不锈钢膜具有孔径可控、耐高温、机械强度高、耐化学腐蚀、抗微生物能力强、渗透量大、可清洗性强、分离性能好和使用寿命长等诸多优点，在石油化工、医药、生物和食品等领域的过滤工艺中得到广泛应用。
[0004]随着工业的发展，传统的多孔不锈钢无法同时满足高过滤精度与大通量的要求，而非对称不锈钢膜能很好地解决了这一矛盾，膜层提供较高的过滤精度，支撑体保证了机械强度，兼具精度与通量的双重要求。因此，以死端过滤的模式在低固含量固液分离体系中大量使用，过滤优势非常明显。然而，在高固含量体系中，由于膜层表面极易形成厚厚的滤饼层，影响过滤效果，导致其使用受到限制。理想的解决方式是将膜材料制成多通道结构，采用错流工艺可有效减缓滤饼层的形成，提高过滤效率。但到目前为止，市面上还没有多通道型非对称不锈钢膜出现。
[0005]专利CN102133768A和CN102078962A公开了两种制作多通道型金属滤芯的模具和方法，采用冷等静压技术成型后高温烧结，获得多通道型多孔金属。专利CN103691330A公布了一种梯度不锈钢膜管的制备方法，首先在管式刚性模具外表面制备不锈钢膜层，然后将大粒径不锈钢粉末添加至刚性模具与弹性模具之间的空腔中，冷等静压压制成型后烧结，制得梯度管式不锈钢膜。专利CN103585897A提供一种多通道型陶瓷/金属复合膜的制备方法，是将陶瓷层先制备于刚性内芯表面形成膜层，再将不锈钢粉末填充至由多支已经制备陶瓷层的内芯与外模间组成模具的空腔内，压制形成后烧结制得多通道型陶瓷/金属复合膜。如果本领域技术人员想要开发一种多通道型不锈钢膜，将该模具设计成包括外模和多个安装在该外模内的芯棒的结构，不锈钢膜层先制备在芯棒表面应该是显而易见的。但是，仅仅采用上述模具与工艺是不可能获得完整不锈钢膜材料。这是由于不锈钢粉末与陶瓷相比，粒径大，密度高，很难直接在光亮的芯棒表面直接形成均匀的膜层；弹性密封头在压制泄压过程中回弹，导致密封处漏油，坯体受力破损；此外支撑层粉体的粒径要超过膜层粉体粒径，两者很难在同一温度下实现共烧。因此，非对称多孔不锈钢的制备需在现有工艺基础上开发一种全新的制备工艺。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种制备多通道型非对称不锈钢膜的方法。
[0007]本发明的针对制备多通道型非对称不锈钢膜的特殊需求进行了工艺设计:
[0008](I)有针对性地将光亮的金属芯棒粗糙化。为使得坯体易于脱模，并具备平整的膜层，模具的芯棒必须采用平整光亮的金属芯棒。然而，这对于不锈钢粉末涂层而言是及其不利的，直接涂层，根本不可能获得完整的涂层。解决方式是将芯棒表面粗糙化，以利于不锈钢粉末层的制备。
[0009](2)采用整体包裹的方式取代端面密封，以防止漏油与坯体破损。金属粉末经冷等静压压制，体积必然随着压力上升发生缩减，在压力卸载过程中，外模与封头的回弹，必然导致液压油进入坯体，或者封头弹力导致坯体破损。解决方式是采用可形变的固定部件固定芯棒，再将整个模具包覆密封后压制。
[0010](3)通过调配支撑层粉体粒径与烧结工艺控制实现膜层与支撑层的完美共烧。透过在制备支撑层的粉体内添加细粉的方式降低其烧结温度，使膜层与支撑层的粉体在相近的温度下实现共烧结，此法即保证强度，又使膜层与支撑层烧结在一起，提供其附着力。此夕卜，由于膜层在内侧，支撑层在外侧，在升温接近膜层烧结温度时，急速升温至支撑层烧结温度，再快速降温，实现支撑层与膜层分区烧结，以满足两层各自的烧结要求。
[0011]本发明的具体技术方案:(I)将制备膜层的不锈钢粉末配置成A、B两种悬浮液；
(2)采用涂层技术先将悬浮液A制备于光亮致密的刚性内模外表面，干燥后使其形成粗糙表面；(3)再采用涂层技术将悬浮液B制备于粗糙内模表面形成均匀的膜层；(4)将外模、弹性堵头、固定槽与一定数量已涂覆有膜层的内模组成模具，将两种粗细不同的不锈钢粉末按一定体积比均匀混合后填满外模与内模之间的空腔；(5)两端固定后放入密封套内采用冷等静压压制成型，脱模后将坯体直接在保护气或真空下脱脂、高温烧结，制得高度非对称的多通道型多孔不锈钢膜。
[0012]所述的制备膜层的不锈钢粉未的平均粒径为0.5_50um,优选为l_25um ;悬浮液A中不锈钢粉末的浓度为0.l-100g/L，优选为0.l-10g/L ;悬浮液B中不锈钢粉末的浓度为50-1000g/L，优选为50-200g/L。所述悬浮液中溶剂优选水、乙醇:添加的分散剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇缩丁醛或聚乙烯醇，甲基纤维素、聚甲基纤维素。涂层技术为浸溃提拉法、湿法喷涂法、旋转涂覆法。所述制备基体两种不同粒径的不锈钢粉，至少有一种粉粒径大于制备膜层的不锈钢粉粒径，且两种粒径不同的不锈钢粉末平均粒径分别为50-500um和0.5-50um,体积比为1-100。所述的刚性内模为金属芯棒；弹性外模材质为塑料、娃胶、橡胶等。所述的冷等静压成型压力为150-400MPa，压制时间1-900S。所述的烧结在真空或还原性气氛下进行，升温速率5-50°C /min，烧结温度为800-1300°C，降温速率10_100°C /min。
[0013]有益效果:
[0014]通过有针对性地将光亮的金属芯棒粗糙化，有利于不锈钢膜层的制备，获得均匀光亮的膜层；采用整体包裹的方式取代端面密封，有效防止漏油与坯体破损；通过调配支撑层粉体粒径与烧结工艺，实现膜层与支撑层的完美共烧。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为双层结构多通道不锈钢膜冷等静压成膜示意图。[0016]图2为双层结构多通道不锈钢膜成型截面图。
[0017]图1中标记:(I)弹性外模；(2)不锈钢基体；(3)不锈钢膜层；(4)弹性堵头；(5)刚性内模；(6)固定槽。
【具体实施方式】
[0018]下面结合具体实施例对本发明进行说明。本发明的保护范围并不以具体实施例为限，而是由权利要求加以限定。
[0019]实施例1
[0020](I)称取2g平均粒径10 μ m的不锈钢粉末，加入到IOOOg含5%聚乙烯吡咯烷酮的水溶液中，搅拌24h制得悬浮液A。采用喷涂技术将不锈钢悬浮液制备于刚性内模表面，干燥后形成粗糙表面。
[0021](2)称取25g平均粒径10 μ m的不锈钢粉末，加入到500g含5 %聚乙烯吡咯烷酮的水溶液中，搅拌24h制得悬浮液B。采用喷涂技术将不锈钢悬浮液制备于刚性内模表面，干燥后形成均匀的膜层。
[0022](3)将5根表面涂覆有不锈钢膜层的刚性内模、弹性堵头、固定槽、弹性外模组装成模具，将平均粒径分别为IOOym和10 μ m的不锈钢粉末按体积比1: 10混合均匀后添加至弹性外模和刚性内模之间的空隙中。密封后，用冷等静压机压制成型，压力为200MPa。
[0023](4)坯体脱模后，置于烧结炉内烧结，在氢气气氛下，以10°C /min的速率升温至800°C，保温3h，冷却后即可制得多通道型非对称不锈钢膜。
[0024]实施例2
[0025](I)称取4g平均粒径15 μ m的不锈钢粉末，加入到IOOOg含5%甲基纤维素的水溶液中，搅拌24h制得悬浮液A。采用喷涂技术将不锈钢悬浮液制备于刚性内模表面，干燥后形成粗糙表面。
[0026](2)称取50g平均粒径15 μ m的不锈钢粉末，加入到500g含5%甲基纤维素的水溶液中，搅拌24h制得悬浮液B。采用喷涂技术将不锈钢悬浮液制备于刚性内模表面，干燥后形成均匀的膜层。
[0027](3)将9根表面涂覆有不锈钢膜层的刚性内模、弹性堵头、固定槽、弹性外模组装成模具，将平均粒径分别为200μπι和20μπι的不锈钢粉末按体积比1: 20混合均匀后添加至弹性外模和刚性内模之间的空隙中。密封后，用冷等静压机压制成型，压力为300MPa。
[0028](4)坯体脱模后，置于烧结炉内烧结，在氢气气氛下，以20°C /min的速率升温至800°C，保温3h，冷却后即可制得多通道型非对称不锈钢膜。
[0029]实施例3
[0030](I)称取8g平均粒径20 μ m的不锈钢粉末，加入到IOOOg含5%聚甲基纤维素的乙醇溶液中，搅拌24h制得悬浮液。采用喷涂技术将不锈钢悬浮液制备于刚性内模表面，干燥后形成均匀的膜层。
[0031](2)称取75g平均粒径20 μ m的不锈钢粉末，加入到500g含5%聚甲基纤维素的乙醇溶液中，搅拌24h制得悬浮液B。采用喷涂技术将不锈钢悬浮液制备于刚性内模表面，干燥后形成均匀的膜层。
[0032](3)将19根表面涂覆有不锈钢膜层的刚性内模、弹性堵头、固定槽、弹性外模组装成模具，将平均粒径分别为300μπι和30μπι的不锈钢粉末按体积比1: 20混合均匀后添加至弹性外模和刚性内模之间的空隙中。密封后，用冷等静压机压制成型，压力为400MPa。
[0033](4)坯体脱模后，置于烧结炉内，在氢气气氛下，以30°C /min的速率升温至1200°C，保温3h，冷却后即可制得多通道型非对称不锈钢膜。
【权利要求】
1.一种多通道型非对称不锈钢膜的制备方法，其特征在于以下步骤:(1)将制备膜层的不锈钢粉末配置成A、B两种悬浮液；(2)采用涂层技术先将悬浮液A制备于光亮致密的刚性内模外表面，干燥后使其形成粗糙表面；(3)再采用涂层技术将悬浮液B制备于粗糙内模表面形成均匀的膜层；(4)将外模、弹性堵头、固定槽与一定数量已涂覆有膜层的内模组成模具，将两种粗细不同的不锈钢粉末按一定体积比均匀混合后填满外模与内模之间的空腔；(5)两端固定后放入密封套内采用冷等静压压制成型，脱模后将坯体直接在保护气或真空下脱脂、高温烧结，制得高度非对称的多通道型多孔不锈钢膜。
2.根据权利要求1所述的一种多通道型非对称不锈钢膜的制备方法，其特征在于所述的制备膜层的不锈钢粉末的平均粒径为0.5-50um，优选为l-25um。
3.根掘权利要求1所述的一种多通道型非对称不锈钢膜的制备方法，其特征在于所述的悬浮液A中不锈钢粉末的浓度为0.Ι-lOOg/L，优选为0.l-10g/L ;悬浮液B中不锈钢粉末的浓度为50-1000g/L，优选为50-200g/L。
4.根据权利要求1所述的一种多通道型非对称不锈钢膜的制备方法，其特征在于所述制备基体两种不同粒径的不锈钢粉，至少有一种粉粒径大于制备膜层的不锈钢粉粒径，且两种粒径不同的不锈钢粉末平均粒径分别为50-500um和0.5_50um，体积比为1-100。
5.根据权利要求1所述的一种多通道型非对称不锈钢膜的制备方法，其特征在于所述悬浮液中溶剂优选水、乙醇；添加的分散剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇缩丁醛或聚乙烯醇，甲基纤维素、聚甲基纤维素。
6.根掘权利要求1所述的一种多通道型非对称不锈钢膜的制备方法，其特征在于所述涂层技术为浸溃提拉法、湿法喷涂法、旋转涂覆法。
7.根据权利要求1所述的一种多通道型非对称不锈钢膜的制备方法，其特征在于所述的刚性内模为金属芯棒:弹性外模材质为塑料、硅胶、橡胶等。
8.根据权利要求1所述的一种多通道型非对称不锈钢膜的制备方法，其特征在于所述固定槽为可变形材料，优选橡胶，塑料。
9.根据权利要求1所述的一种多通道型非对称不锈钢膜的制备方法，其特征在于所述的冷等静压成型压力为150-400MPa，压制时间l_900s。
10.根据权利要求1所述的一种多通道型非对称不锈钢膜的制备方法，其特征在于所述的烧结在真空或还原性气氛下进行，升温速率5-50°C /min，烧结温度为800-1300°C，降温速率 10-100°C /min。
【文档编号】B01D71/02GK103933872SQ201410188420
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年5月7日 优先权日:2014年5月7日
【发明者】黄彦, 俞健, 杨佳辉, 徐吉权, 谌洪图 申请人:南京工业大学