氧化铝陶瓷膜涂层配方实验

1简介与有机膜相比，无机陶瓷膜具有优异的高温化学稳定性，高机械强度，耐酸碱和微生物抵抗力。近年来，它们在工业分离和生活用水的处理中变得越来越突出。 。氧化铝，氧化锆和二氧化钛被认为是三种最常用的多孔膜材料，而管状氧化铝陶瓷膜是目前在国内生产和应用中最常见的膜。陶瓷微滤膜主要由三层组成：多孔载体，过渡层和活性分离层。其中，活性分离层即顶层膜起着分离的主要作用，过渡层起到形成梯度膜的作用，以防止顶层膜渗透到多孔载体中。过渡层的孔径分布，孔隙率，薄膜强度和完整性以及材料通量对顶层薄膜的性能起决定性作用。因此，不能低估整个陶瓷膜的过渡层的性能。本文通过介绍在医学领域广泛使用的正交试验方法，分析了影响陶瓷膜过渡层性能的几个重要因素：主要材料Al2O3，添加剂PVA和烧结助剂ZrO2的质量分数及其值范围。利用科学性高，实验少，代表性强的优点，可以达到有效优化氧化铝陶瓷膜过渡层配方和工艺的目的。同时结合扫描电镜（SEM）和水银压入法测量结果，合理地解释了原料，工艺及其孔径分布和孔隙率对薄膜层通量的影响，为进一步研究奠定了坚实的基础。制备优异的顶膜。 2实验2.1涂膜溶液的制备将少量硝酸滴入去离子水中，搅拌分散器5分钟，然后加入Al2O3原料粉末（3.5μm）并搅拌30至60分钟以充分混合。然后加入定量的PVA溶液（实验室制造，质量浓度为5％）和ZrO2纳米烧结助剂（实验室制造，确定粒径D50小于50nm）。进料液体的pH值控制在3.8至4.2之间。混合后，将其球磨48小时，然后通过200目筛网以制备涂膜浆料以备后用。 2.2薄膜层的制备涂覆过程在三田薄膜公司生产的同一批氧化铝载体（外径41mm，长度500mm，壁厚3mm，19个孔）中进行，使用前经测试确定为合格产品。从图1可以看出，载体的表面是光滑的，颗粒是均匀的，并且没有孔。在涂布之前，先用丙酮溶液涂布载体，然后在烤箱中干燥以除去灰尘或油脂。其中，涂布时间为15s，自制的涂布装置利用毛细作用力使涂布液附着于支撑体的表面。当涂层的数量大于1时，涂层之间的间隔为5分钟。涂布后，在25°C的室温和80％的相对湿度下干燥12h，然后将其放在5°C / h的烤箱中升至50°C，然后将温度升至105°C以8°C / h的速度保持5小时。经过上述干燥操作后，将其转移到高温炉中，并在设定为1300℃的烧结曲线阶段进行烧结成膜。2.3膜层的表征方法由于原料液膜的通量为陶瓷膜实际应用中的重要参数，可以直接显示陶瓷膜的实际应用效果。为了模拟发酵液的工业化处理环境，在质量分数为0.33％的黄原胶溶液中于60°C（180 m·Pa·s的恒定温度）下的膜通量为90 min。用作主要指标。将过滤的上清液和乙醇溶液在一定温度下混合观察是否有胶体沉淀。如果保持澄清，则将所有黄原胶分子捕获。用扫描电子显微镜观察膜层的表面形貌和完整性，并通过压汞法测量膜层的孔径分布和孔隙率。通过上述各种测试方法，对膜的综合性能进行了综合分析，得到了过渡膜的配方组合。 2.4影响薄膜性能的主要因素的选择本实验着重于四个因素：Al2O3的含量，PVA的添加量，烧结助剂ZrO2的重量百分比和涂层数量。实验没有考虑相互作用的影响。正交表L9（34）用于设计测试。表1中详细列出了这些因素和水平。3结果与分析3.1正交测试结果与分析表2列出了过渡层正交测试的结果与分析。共有9个实验组，其中5个样品每组制作。实验结果是5种氧化铝陶瓷膜测试结果的平均值，以减少实验机会和误差。其中，实验三的前五个样品的陶瓷膜层均开裂，处理数据时材料通量的实验结果设为零。从正交分析可以看出，在全部9个实验组中，实验6的结果，差值R的大小表明四个因素对实验结果有影响：ω（PVA）>ω（Al2O3）>涂层数>ω（ZrO2）。也就是说，因素ω（PVA），ω（Al2O3）和涂膜数量对实验结果的影响较大，而ω（ZrO2）的影响相对较小。从各因子的平均值可以看出，ω（Al2O3）：K2> K3> K1，ω（ZrO2）：K2> K1> K3，ω（PVA）：K2> K1> K3，以及涂层数： K2> K1> K3。得出结论，这四个因素的组合为ω（Al2O3）为23％，ω（ZrO2）为12％，ω（PVA）为4％，涂膜为两倍。由于在上述9个正交实验中，ω（Al2O3）为23％，ω（ZrO2）为12％，ω（PVA）为4％，因此涂膜的这种组合是两次，因此在此命名为实验10。 。根据上述实验步骤，制作了五个实验10个样品，并用黄原胶溶液进行了膜通量测试。在60°C下恒温运行90分钟后，通量为123.67 L / m2·h。即，确定实验10的产物通量。为了确定实验组合方案的稳定性，根据实验步骤再次重复实验10，实验样品仍为5支相同规格的陶瓷管。测量了每个样品的黄原胶液体通量，并且测得的通量分布在（123.67±0.5）L / m2·h之间，并且差异很小，表明该组的公式具有很高的可重复性。可以推广和应用。 3.2典型膜层孔径分布和孔隙率分析选择正交试验中的组合实验10，在前九个正交试验中选择物料流的实验6和物料流的实验8 。在压汞实验中，分别测试了孔径分布和孔隙率。测试结果显示在下面的图2中。从图2可以看出。 2最可能的孔径为（a）10.39μm，（b）10.07μm和（c）10.05μm。尽管这三组配方和涂膜的次数不同，但是由于支撑体是同一批产品，因此附有这三个膜层的支撑体的最大直径几乎相同。这三幅图显示了第二个峰在（a）0.5μm（b）0.6μm（c）0.6μm，这是过渡膜层的最大孔径。从图2还发现，图2a中膜层的分布比其他两个图略窄。压汞仪测得的载体孔隙率均为（41±0.5）％。膜层的孔隙率如下：实验10：4.9622％>实验6：4.2836％>实验8：2.2910％。当载体的孔隙率大致相同时，膜层的孔隙率对材料的通量具有决定性的影响。根据上述黄原胶溶液实验，可以知道膜材料通量的排列方式如下：实验10>实验6>实验8，上述对应关系概括如下：膜层的孔隙率越大，膜通量越大。 3.3不对称氧化铝陶瓷膜的微观形貌图3为实验3得到的膜层。从图3可以看出，烧结后有明显的裂纹。为了避免烧结或其他未知的开裂原因，重复5个样品以重复实验。最终结果是一致的。分析原因，在实验3的配方中，三个等级的ω（Al2O3）为18％，三个等级的ω（PVA）为6％，涂层数为3倍。假定对于涂膜数为3的配方，欧米茄（PVA）含量（6％）太高。 PVA大分子上的羟基可通过氢键在胶体颗粒之间形成空间网络结构。这种结构使胶体颗粒均匀地分布，并且烧结后平均孔径变小，并且相应的孔径分布也变窄。当PVA的添加量太大时，在膜的烧结之后留下的孔增加，因此孔径增加，并且大的孔彼此连通，导致破裂，并且不能形成完整的膜。图4a是实验10的SEM膜层的表面图。从图4可以看出，表面是平坦的，颗粒是均匀的，膜层是完整的，并且没有气泡和明显的缺陷。基于此，可以产生更精确的膜层，例如0.1μm。 0.2μm或超滤膜。图4b是实验10的SEM截面图。从该图可以看出，膜层和支撑体彼此镶嵌，从支撑体到膜层的过渡良好，结合紧密。 ，膜厚度为50-60μm。重复实验10的涂膜过程两次，并且在一个涂膜的情况下，相同制剂的膜厚度为约30μm。当涂布时间固定且毛细管吸附力未达到饱和值时，膜厚与涂布次数成正比。图5是实验1的电子显微镜图像。可以看出，一次涂布膜，一次涂布膜，即一次涂布膜时，膜层可能有缺陷和气泡。两次，薄膜层更完整，无缺陷且无气泡。当涂膜的数量为3时，容易发生裂纹或不能形成膜。因此，涂膜过程是两次。 4结论（1）采用固体颗粒烧结法制备了陶瓷膜过渡层。