專利名稱：一種復合碳化硅陶瓷纖維過渡層的涂覆方法
技術領域：
本發明屬于多孔陶瓷過濾膜新材料技術領域，特別涉及了一種噴涂技術制備復合碳化硅陶瓷纖維層材料的方法。復合碳化硅陶瓷纖維層材料主要用于高溫氣體過濾除塵領域。
背景技術：
高溫陶瓷過濾技術是20世紀80年代發展起來的一種先進的高溫氣體除塵技術，在許多行業都具有很大的應用前景，如冶金工業、化學及陶瓷工業中高溫煙塵凈化、化學工業高溫氣體的凈化及高溫催化劑的回收、熱電行業中高溫氣體凈化等。目前，高溫陶瓷過濾材料在整體煤氣化聯合循環(IGCC)和增壓流化床燃燒聯合循環(PFBC)等潔凈煤發電系統高溫除塵領域已得到大面積商業化推廣。高溫陶瓷過濾材料是整個高溫陶瓷過濾技術的關鍵。 傳統的高強度耐高溫陶瓷過濾材料一般由兩部分的組成，一部分是提供機械強度的支撐體，另一部分是起除塵作用的過濾膜。支撐體采用幾百微米粒徑的耐高溫耐腐蝕陶瓷粉料來制備，支撐體的厚度在15mm左右；過濾膜的原料顆粒由幾微米到幾十微米的耐高溫陶瓷粉料構成，其厚度在150 μ m左右，使整個過濾元件有足夠的過濾除塵效率和過濾精度。傳統的陶瓷過濾管材料，由于制備支撐體的顆粒粒徑是表面膜的顆粒粒徑10倍甚至更高，支撐體形成的孔結構有效直徑也遠遠大于過濾膜原料粒徑。表面膜粉料很容易進入支撐體的空隙中，而進入支撐體孔隙內部的這一部分過濾膜對除塵是多余的，但它不僅降低了過濾元件的滲透性，同時也增大了過濾膜產生的過濾壓降。因而在不降低過濾精度和過濾效率的前提下，降低過濾膜的過濾壓降有利于增加其使用壽命。因此，急需一種能夠使過濾膜不進入支撐體孔隙的新結構過濾膜。多孔陶瓷纖維層涂覆方法主要有編織法、纏繞、真空抽濾、化學氣相沉積(CVD)法等。編織法與CVD法成本很高，難于實現工業化應用，纏繞法需要長纖維限制了其應用，真空抽濾法只適合于均質(單層)濾管的成型，厚度均勻性不易控制。

發明內容
本發明的目的是提供了一種復合碳化硅陶瓷纖維過濾層的涂覆方法，該方法制備工藝簡單、經濟實用、能耗低、易于工業化，預燒結后，在支撐體上噴涂一層均勻完整，厚度可控的纖維層。同時還可使表面膜更加均勻完整，支撐體、纖維層、過濾膜三者結合更加牢固。為了實現上述目的，本發明的技術方案為:提供一種復合碳化硅陶瓷纖維過渡層的涂覆方法，其中包括以下步驟:(I)制備碳化硅多孔陶瓷支撐體坯體:按碳化硅粉、陶瓷粘結劑、造孔劑和羧甲基纖維納溶液的質量比為10:0.5^3.3:0.5^4.0:0.5^3.0，分別稱取各原料所需的量，將其混合攪拌均勻后干壓成型，壓力為l 50MPa ;其中，羧甲基纖維素納溶液的質量濃度為2wt%，造孔劑為石墨；(2)支撐體預燒結:將制備好生坯干燥后，以升溫速率疒20°C/min預燒結至80(Γ1000 ，保溫時間為I 5h ；(3)纖維預處理:用剪刀把莫來石纖維和硅酸鋁纖維均裁剪成邊長為0.5^5cm的正方體小塊備用；(4)纖維層漿料配制:稱取單根直徑分布0.5 15μπι，長徑比大于10的莫來石纖維、硅酸鋁纖維和粒徑0.5 20 μ m的陶瓷粘結劑，其中莫來石纖維、硅酸鋁纖維、陶瓷粘結劑的質量比為(Γ3: 0.5 2.5:(Tl.5 ;陶瓷粘結劑粉體的顆粒粒徑5 50 μ m ；(5)纖維層漿料制備:稱取0.5 15g羧甲基纖維素鈉，加入4(T300ml的去離子水中水浴磁力攪拌均勻，依次加入硅酸鋁纖維、莫來石纖維、陶瓷粘結劑，加熱煮沸的同時攪拌，直至纖維分散均勻且使漿料中莫來石纖維質量分數f 10%，即可得到纖維和粘結劑混合料；(6)均勻纖維層漿料獲得:將步驟(5)制備好的的纖維與粘結劑混合料加入l(Tl00g球磨介質,放入球磨機中以50 300轉/分鐘轉速球磨10 300分鐘，即可得到均勻分散纖維層漿料；(7)將步驟(6)制備好的的均勻分散纖維層漿料放入油漆噴槍中，調整進氣壓力、噴嘴張角、走槍速度，控制吸漿速度、磨面厚度、平整度，使纖維層均勻涂覆在支撐體上，旋轉支撐體，連續噴涂，達到所需纖維層厚度；(8)過濾膜漿料制備:將碳化硅粉、陶瓷粘結劑、羧甲基纖維素鈉和去離子水按質量比9:1:1.5:2(Γ70磁力攪拌混合并煮沸，從而得到均勻的過濾膜漿料；(9)過濾膜涂覆:將涂有纖維層的支撐體烘干后，流延一層纖維膜，烘干后，將制得的含有的纖維層和過濾膜的支撐體材料燒結，其中燒結溫度為120(T1500°C，升溫速率2 20°C/min，保溫時間為I 5h。所述制備碳化硅多孔陶瓷支撐體中，所使用的碳化硅粉的顆粒粒徑為100^350 μ m,陶瓷粘結劑含量5 25wt%，造孔劑為石墨，含量5 30wt%，制備出的支撐體厚度為3 20mm,直徑為10 100mm。所述制備過濾膜漿料中，碳化硅粉的顆粒粒徑為f 30 μ m,陶瓷粘結劑顆粒粒徑為
0.Γ30 μ m,含量為 5 25wt%。本發明復合碳化硅陶瓷過濾膜材料，是在碳化硅表面膜和碳化硅陶瓷支撐體之間增加陶瓷纖維層 ，來達到改進過濾材料的結構和性能；該纖維層不僅阻止了表面膜粉料進入支撐體空隙，而且有效提高了過濾元件的滲透性并降低了過濾材料的過濾壓降。由于纖維層的加入，使陶瓷過濾膜保證了該復合碳化硅多孔陶瓷具有足夠的過濾除塵效率和精度，同時支撐體采用大粒徑陶瓷顆粒來制備有利于大幅降低過濾管整體的過濾壓降，從而減少過濾能耗。


圖1本發明提供的復合碳化硅陶瓷純纖維層噴涂后表面的SEM圖；圖2發明提供的復合碳化硅陶瓷瓷粘結劑與纖維層燒結后表面的SEM圖；圖3本發明提供的復合碳化硅陶瓷材料1350°C燒結后斷面的SEM具體實施例方式本發明復合碳化硅陶瓷過濾膜材料中的纖維層噴涂方法，其特征在于:預處理纖維，再將纖維與粘結劑水浴中混合，最后在球磨一段時間，即可得可用來噴涂均勻纖維漿料。利用空氣噴涂技術，將纖維漿料均勻涂覆在預燒結的支撐體上。干燥后，再在纖維層上流延一層過濾膜。最后將制成的碳化硅過濾膜材料坯體燒結，即可得復合碳化硅陶瓷過濾膜材料。其具體工藝流程如下:(1)制備碳化硅多孔陶瓷支撐體坯體，按碳化硅粉、粘結劑、造孔劑和羧甲基纖維素納(CMC)溶液的質量比為10:0.5^3.3:0.5^4.0:0.5^3.0,,分別稱取各原料所需的量，將其混合攪拌均勻后干壓成型，壓力為f50MPa;其中，羧甲基纖維素納(CMC)溶液的質量濃度為2wt%。造孔劑為石墨。(2)支撐體預燒結，將制備好生坯干燥后，以升溫速率疒20°C/min預燒結至80(ri000°C，保溫時間為I 5h。(3)纖維預處理，用剪刀把纖維裁剪成邊長為0.5^5cm的正方體小塊備用。(4)纖維層漿料配制，稱取單根直徑分布0.5^15 μ m,長徑比大于10的莫來石纖維與硅酸鋁纖維和粒徑0.5^20 μ m的陶瓷粘結劑，其中莫來石纖維硅酸鋁纖維陶瓷粘結劑的質量比為0 3: 0.5 2.5:(Tl.5。陶瓷粘結劑粉體的顆粒粒徑5 50 μ m(5)纖維層漿料制備，稱取0.5 15g羥甲基纖維素鈉，加入4(T300ml的去離子水中水浴磁力攪拌均勻，依次加入硅酸鋁纖維、莫來石纖維、陶瓷粘結劑，加熱煮沸的同時攪拌，直至纖維分散均勻且使漿料中莫來石纖維質量分數f 10%，即可得到纖維和粘結劑混合料。(6)均勻纖維層漿料獲得，將纖維與粘結劑混合料加入l(Tl00g球磨介質，放入球磨機中以5(Γ300轉/分鐘轉速球磨1(Γ300分鐘。即可得到均勻分散纖維漿料。(7)纖維層的噴涂，將制備的均勻分散纖維漿料放入油漆噴槍中，調整進氣壓力、噴嘴張角、走槍速度等，從而控制吸漿速度、磨面厚度、平整度，使纖維層均勻涂覆在支撐體上。旋轉支撐體，連續噴涂，達到所需纖維層厚度。(7)過濾膜涂覆，將烘干后樣品，流延一層纖維膜。烘干后，將制得的復合過濾膜材料燒結。燒結溫度為120(Tl500°C，升溫速率2 20°C/min，保溫時間為I 5h。 在上述制備碳化硅支撐體中，所使用的碳化硅的顆粒大小為10(Γ350 μ m,陶瓷粘結劑含量5 25wt%，造孔劑為石墨，含量5 30wt%，制備出的支撐體厚度為3 20mm，直徑為10 100mm。上述過濾膜漿料制備，將碳化硅粉、陶瓷粘結劑粉、羥甲基纖維素鈉和去離子水按質量比9:1:1.5: 2(Γ70磁力攪拌混合并煮沸，從而得到均勻的過濾膜漿料。在上述過濾膜與纖維層混合料中，所使用的碳化硅粉體的顆粒粒徑為1 30μπι，陶瓷粘結劑粉料顆粒粒徑為0.f 30 μ m，含量為5 25wt%，過濾膜漿料的制備中可使用造孔齊U，如使用造孔劑，造孔劑為石墨，顆粒粒徑為0.f 30 μ m，含量為(T30wt%。實施例1(I)將纖維裁剪成邊長為3cm的正方體小塊備用。(2)分別稱取莫來石纖維2g，硅酸鋁纖維1.Sg，羥甲基纖維素鈉2.7g，稱取70ml的去離子水加入250ml燒杯中，水浴攪拌，依次加入羥甲基纖維素納、硅酸鋁纖維，莫來石纖維，水浴加熱攪拌均勻，致莫來石纖維質量濃度達到3%。(3)將纖維漿料60g放入球磨機中以200轉/分鐘轉速球磨60分鐘。球磨介質為30g氧化鋁球。(4)將均勻纖維漿料放入噴壺中，利用空氣噴涂，均勻噴涂在支撐體表面。(5)結果:復合碳化硅陶瓷纖維層表面平整、纖維分布均勻缺陷少。實施例2(I)將纖維裁剪成邊長為2cm的正方體小塊備用。配制質量分數為6(^丨％鉀長石、20wt%高嶺土和20wt%陶瓷混合料作為粘結劑。原料平均粒徑為15 μ m.
(2)分別稱取莫來石纖維2g，硅酸鋁纖維1.Sg,羥甲基纖維素鈉2g，粘結劑lg，稱取70ml的去離子水加入250ml燒杯中，水浴攪拌，依次加入羥甲基纖維素納、硅酸鋁纖維，莫來石纖維，粘結劑，水浴加熱攪拌均勻，致莫來石纖維質量濃度達到3%。(3)同實施例1的步驟(3)(4)將均勻纖維漿料放入噴壺中，利用空氣噴涂，均勻噴涂在支撐體表面。噴涂時間是實施I的三倍。(5)結果:復合碳化硅陶瓷纖維層表面平整、纖維分布均勻缺陷少。樣品的纖維膜由于噴涂時間長而使纖維膜厚度更厚。由于加入粘結劑，與采用預燒結，可使得纖維層與基體結合更加牢固。

實施例3(I)按碳化硅粉、陶瓷粘結劑、造孔劑和羧甲基纖維納(CMC)溶液的質量比為10:0.85:1:1.6，分別稱取各原料所需的量，將其混合攪拌均勻后干壓成型，壓力為5MPa制備支撐體生還直徑50mm,厚度約為6mm。其中碳化娃顆粒的平均粒徑為150 μ m,羧甲基纖維納(CMC)溶液的質量濃度為2wt%。造孔劑為石墨。粘結劑為60被％鉀長石、20wt%高嶺土和20wt%石英砂陶瓷混合料。(2)支撐體預燒結，將制備好生坯在80°C烘箱中干燥48h，。以升溫速率10°C/min預燒結至900°C，保溫時間為2h。(3)同實施例1的步驟(I)(4)同實施例1的步驟(2)(5)同實施例1的步驟(3)(6)同實施例1的步驟(4)(7)稱取0.9g碳化硅粉料、0.1g陶瓷粘結劑，0.15g羥甲基纖維素鈉，稱取50ml的去離子水加入200ml燒杯中，水浴攪拌，依次加入羥甲基纖維素鈉、碳化硅、粘結劑并水浴攪拌至混合均勻，致碳化硅質量濃度達到2.5%即制得過濾膜混合料。其中碳化硅粉料的平均粒徑為6 μ m。(8)利用流延機在涂有纖維層的基體上流延膜。(9)將制備好過濾材料在80°C烘箱中干燥48h，將復合碳化硅陶瓷過濾膜材料坯體進行煅燒，燒結1350°C，升溫速率5°C/min，即可制得復合碳化硅陶瓷過濾膜材料。(10)結果:復合碳化硅陶瓷其斷面SEM顯微照片如圖3所示；表面過濾膜的平均孔隙率43%，平均孔徑3.3 μ m ;復合碳化硅陶瓷過渡纖維層分布均勻，陶瓷纖維過渡層起到了架橋承接作用，有效的防止膜直接接觸支撐體堵塞氣孔，支撐體、陶瓷纖維過渡層和表面碳化硅膜由于采用預燒結三者連接緊密，表面層過濾膜不易脫落。圖1為本發明提供的復合碳化硅陶瓷純纖維層噴涂后表面的SEM圖；圖2為發明提供的復合碳化硅陶瓷瓷粘結劑與纖維層燒結后表面的SEM圖；以上所揭露的僅為本發明的較佳實施例而已，當然不能以此來限定本發明之權利范圍，因此依本發明 權利要求所作的等同變化，仍屬于本發明所涵蓋的范圍。
權利要求
1.一種復合碳化硅陶瓷纖維過渡層的涂覆方法，其特征在于包括以下步驟: (1)制備碳化硅多孔陶瓷支撐體坯體:按碳化硅粉、陶瓷粘結劑、造孔劑和羧甲基纖維素納溶液的質量比為10:0.5^3.3:0.5^4.0:0.5^3.0,分別稱取各原料所需的量，將其混合攪拌均勻后干壓成型，壓力為f50MPa ;其中，羧甲基纖維素納溶液的質量濃度為2wt%，造孔劑為石墨； (2)支撐體預燒結:將制備好生坯干燥后，以升溫速率疒20°C/min預燒結至80(Γ1000 ，保溫時間為I 5h ； (3)纖維預處理:用剪刀把莫來石纖維和硅酸鋁纖維均裁剪成邊長為0.5^5cm的正方體小塊備用； (4)纖維層漿料配制:稱取單根直徑分布0.5 15μπι，長徑比大于10的莫來石纖維、硅酸鋁纖維和粒徑0.5^20 μ m的陶瓷粘結劑，其中莫來石纖維、硅酸鋁纖維、陶瓷粘結劑的質量比為0 3: 0.5 2.5:(Tl.5 ;陶瓷粘結劑粉體的顆粒粒徑5 50 μ m ； (5)纖維層漿料制備:稱取0.5 15g羧甲基纖維素鈉，加入4(T300ml的去離子水中水浴磁力攪拌均勻，依次加入硅酸鋁纖維、莫來石纖維、陶瓷粘結劑，加熱煮沸的同時攪拌，直至纖維分散均勻且使漿料中莫來石纖維質量分數f 10%，即可得到纖維和粘結劑混合料； (6)均勻纖維層漿料獲得:將步驟(5)制備好的的纖維與粘結劑混合料加入l(Tl00g球磨介質，放入球磨機中以5(Γ300轉/分鐘轉速球磨1(Γ300分鐘，即可得到均勻分散纖維層漿料； (7)將步驟(6)制備好的的均勻分散纖維層漿料放入油漆噴槍中，調整進氣壓力、噴嘴張角、走槍速度，控制吸漿速度、磨面厚度、平整度，使纖維層均勻涂覆在支撐體上，旋轉支撐體，連續噴涂，達到所需纖維層厚度； (8)過濾膜漿料制備:將碳化硅粉、陶瓷粘結劑、羧甲基纖維素鈉和去離子水按質量比9:1:1.5:2(Γ70磁力攪拌混合并煮沸，從而得到均勻的過濾膜漿料； (9)過濾膜涂覆:將涂有纖維層的支撐體烘干后，流延一層纖維膜，烘干后，將制的的含有的纖維層和過濾膜的支撐體材料燒結，其中燒結溫度為120(Tl500°C，升溫速率2 20°C/min,保溫時間為I 5h。
2.如權利要求1所述的復合碳化硅陶瓷纖維過渡層的涂覆方法，其特征在于:所述制備碳化硅多孔陶瓷支撐體中，所使用的碳化硅粉的顆粒粒徑為10(Γ350μπι，陶瓷粘結劑含量5 25wt%，造孔劑為石墨，含量5 30wt%，制備出的支撐體厚度為3 20mm，直徑為10 100mm。
3.如權利要求1所述的復合碳化硅陶瓷纖維過渡層的涂覆方法，其特征在于:所述制備過濾膜漿料中，碳化硅粉的顆粒粒徑為廣30 μ m,陶瓷粘結劑顆粒粒徑為0.Γ30 μ m，含量為5 25wt%。
全文摘要
本發明公開了一種復合碳化硅陶瓷纖維過渡層的涂覆方法，包括以下步驟支撐體干壓成型后，預燒結。在支撐體表面上利用空氣噴涂技術均勻涂覆一層莫來石纖維和硅酸鋁纖維的混合料;干燥后在其表面上流延一層過濾膜，最后將制成的碳化硅過濾膜材料坯體進行燒結，即可得復合碳化硅過濾膜材料。本發明可以制備均勻完整，厚度可控纖維過渡層，由于采用空氣噴涂技術，即降低了成本又提高了效率，同時采用預燒結，降低能耗的同時，使支撐體、纖維層、過濾膜三者牢固結合。
文檔編號B01D46/54GK103113110SQ20121051073
公開日2013年5月22日 申請日期2012年12月4日 優先權日2012年12月4日
發明者鄧湘云, 白成英, 李建保, 馮家迪, 景亞妮, 蘇魁范, 王春鵬, 蔣文凱, 廖昕星, 張國慶 申請人:海南大學, 江蘇省宜興非金屬化工機械廠有限公司