Al2O3—SiO2—ZrO2陶瓷復(fù)合超濾膜的制備

賀俊 王躍超

摘 要 采用溶膠-凝膠法制備出鋁溶膠和硅溶膠，再通過一定的比例混合，制備出穩(wěn)定的復(fù)合溶膠。而后對選好的陶瓷管進(jìn)行鍍膜，制備出性能良好的復(fù)合超濾膜。通過SEM分析超濾膜表面有均勻的氣孔且孔徑分布較窄。本文探討了化學(xué)組成對溶膠性能的影響，PVA的加入量、鍍膜次數(shù)等對成膜質(zhì)量的影響。

關(guān)鍵詞 溶膠-凝膠法；復(fù)合無機(jī)膜；配比；成膜質(zhì)量

0 引 言

由于陶瓷無機(jī)膜具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定、機(jī)械、化學(xué)穩(wěn)定等良好性能，可以在高溫和酸堿等比較苛刻的條件下使用，近年來得到迅速的發(fā)展。已在食品、藥物等液體分離領(lǐng)域得到應(yīng)用，并在高溫氣體分離、膜催化反應(yīng)和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力[1]。膜分離技術(shù)將成為解決能源、資源和環(huán)境污染的重要技術(shù)和可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)。

在陶瓷無機(jī)膜中，單組分膜已經(jīng)能夠比較好的制備出來，而其中以鋁膜的研究制備最為滿意。但單組分膜各有缺點(diǎn)，相對于單一模，復(fù)合膜能在更苛刻的條件下使用，如普通γ-Al2O3膜在高于600 ℃時(shí)，遇酸或堿性介質(zhì)時(shí)易破裂，γ-Al2O3在800 ℃以下時(shí)，微觀結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，但隨著溫度的升高，出現(xiàn)δ- Al2O3、θ-Al2O3過渡相，在1 000 ℃左右時(shí)會(huì)發(fā)生γ- Al2O3向α-Al2O3的晶型轉(zhuǎn)變，到1 200 ℃全部轉(zhuǎn)化，這會(huì)引起表面化學(xué)結(jié)構(gòu)的一些變化，并且伴隨7%的體積變化，很容易導(dǎo)致膜孔徑的增加和膜的開裂，這表明高溫使用時(shí)的不穩(wěn)定性使得氧化鋁膜的應(yīng)用受到一定的限制[2]。而加入SiO2可以抑制這種晶型轉(zhuǎn)化，從而可以減少膜的缺陷，并且引入的SiO2是以無定形形式存在的，它具有豐富的表面改性特性，它能改變Al2O3陶瓷膜的表面性能，從而提高氣體的選擇透過率，而且加入SiO2能更好地促進(jìn)膜載體的結(jié)合。而加入ZrO2可以改善氧化鋁膜的熱穩(wěn)定性，并且在一定程度上ZrO2的加入可以抑制氧化鋁的相變，而且高溫?zé)Y(jié)處理的含氧化鋯多孔膜在很寬的PH范圍內(nèi)都有很好的穩(wěn)定性，所以制備出氧化鋁系含氧化硅和氧化鋯的復(fù)合膜有重要的實(shí)際意義。

陶瓷無機(jī)膜的制備方法有多種，其中溶膠-凝膠法是制備陶瓷膜的一種重要方法，用這種制得的膜孔徑小、孔徑分布較窄。采用該方法中PVA的加入量及涂膜次數(shù)對實(shí)驗(yàn)的成功有很大影響，本文通過利用Al2O3的催化特性，采用溶膠-凝膠法制備出穩(wěn)定的Al2O3-SiO2-ZrO2復(fù)合膜，探討化學(xué)組成，PVA的加入量對溶膠性能的影響及對成膜質(zhì)量的影響，涂膜次數(shù)對成膜質(zhì)量的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1鋁溶膠的制備

將異丙醇鋁溶解在其母液異丙醇中，使醇溶液在>85 ℃，在高速攪拌的過量蒸餾水中水解，加入一定濃度的膠溶劑，將形成的水解產(chǎn)物在一定溫度下膠溶，形成勃姆石，即AlOOH溶膠溶液。

1.2硅鋯溶膠的制備

向一定量的無水乙醇試劑中加入質(zhì)量比為1：1的氯氧化鋯和正硅酸乙酯，然后陳化3 h，即得到所需要的硅鋯溶膠。

1.3復(fù)合溶膠的制備

將硅鋯溶膠按一定比例加入到鋁溶膠中，調(diào)節(jié)其PH值，攪拌一段時(shí)間，使之充分均勻，即獲得所需的復(fù)合溶膠液。

1.4膜的制備

實(shí)驗(yàn)采用浸漬提拉法在經(jīng)過處理的管狀陶瓷上進(jìn)行涂膜，然后放入烘箱中干燥一段時(shí)間后放入低溫爐中進(jìn)行熱處理，之后就獲得了所需的樣品。

2 結(jié)果和討論

溶膠-凝膠法制備陶瓷膜的基礎(chǔ)是復(fù)合溶膠的性能穩(wěn)定，所以制備出性能流動(dòng)性良好的復(fù)合溶膠是成膜質(zhì)量好的基礎(chǔ)。而影響復(fù)合溶膠性能的因素有很多，本文主要研究了化學(xué)組成、PVA的加入量對溶膠性能的影響，還研究了涂膜次數(shù)對成膜質(zhì)量的影響。

2.1 化學(xué)組成對復(fù)合溶膠性能的影響

化學(xué)組成對溶膠的穩(wěn)定性有重要影響（見表1），實(shí)驗(yàn)中通過單一改變復(fù)合溶膠中硅溶膠的濃度，觀察溶膠的性能變化，主要是通過溶膠轉(zhuǎn)化凝膠的時(shí)間來衡量溶膠的穩(wěn)定性。

注：鋁溶膠含量為4%。

由表1可以看出，硅溶膠的含量增加，會(huì)使復(fù)合溶膠性能越來越不穩(wěn)定，復(fù)合溶膠的凝膠時(shí)間隨著硅溶膠的增加而變得越來越短，原因可能是硅醇鹽通過縮聚形成含有Si-O-Si鏈狀結(jié)構(gòu)的有機(jī)聚合物，這種聚合物在適當(dāng)條件下繼續(xù)聚合形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，一定條件下這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)往往具有質(zhì)量分形性。當(dāng)鋁溶膠中硅溶膠含量較少時(shí)，體系中正硅酸乙酯水解的產(chǎn)物和ZrO2是以分散的小顆粒存在的，而大部分AlOOH粒子無規(guī)則地在體系中作布朗運(yùn)動(dòng)，在體系中會(huì)形成一個(gè)更加開放的結(jié)構(gòu)聚集體，體系結(jié)構(gòu)松散，所以溶膠生長成為凝膠的時(shí)間較長。而當(dāng)硅溶膠含量增加時(shí)，復(fù)合溶膠生長過程中，正硅酸乙酯的水解產(chǎn)物是具有支鏈的或三維空間網(wǎng)絡(luò)狀，而體系中的ZrO2并非以分散的顆粒存在的，而是由許多極小的膠粒相互連接并聚合成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此在復(fù)合溶膠中，他們將穿插在AlOOH膠粒之間，體系的結(jié)構(gòu)較為緊密，所以溶膠形成凝膠的時(shí)間短了，體系容易凝膠。通過數(shù)據(jù)分析，實(shí)驗(yàn)選擇的鋁溶膠與硅溶膠、鋯溶膠的含量比為5：1：1。

2.2 PVA的加入量對成膜質(zhì)量的影響

實(shí)驗(yàn)中使用PVA作分散劑和粘結(jié)劑，其加入量對溶膠的粘度和膜的性能有很大的影響，表2是加入PVA的量不同時(shí)膜質(zhì)量的變化。

從表2可以看出PVA的加入能提高膜的質(zhì)量，但PVA的加入量有個(gè)適宜值，因?yàn)镻VA的加入一方面改變了溶膠對載體的潤濕性能，且PVA本身是有機(jī)大分子，它的加入對溶膠又起到穩(wěn)定分散劑的作用，另一方面，PVA分子在復(fù)合溶膠體系中將包裹在膠體顆粒周圍，凝膠化后，包裹著PVA的粒子互相堆積形成了孔，在熱處理過程中，PVA受熱分解成氣體，氣體在排除過程中與氣孔表面發(fā)生擠壓、摩擦作用，從而導(dǎo)致了邊緣及表面的圓滑。而不加PVA時(shí)，膠粒分布較寬，形成的凝膠質(zhì)點(diǎn)及間隙大小不一，干燥時(shí)內(nèi)部應(yīng)力不均，導(dǎo)致膜開裂。而當(dāng)加入量少時(shí)，PVA作為分散劑的作用沒有全部變現(xiàn)出來，所以溶膠的成膜性能較差，所以膜的完整度較差，而當(dāng)PVA加入量太多時(shí)，溶膠的粘結(jié)性能會(huì)增加，使溶膠的粘度增加過多，使得溶膠的流動(dòng)性減少，成膜困難，使膜的平整度變差，而且PVA在熱處理過程中分解炭化后，PVA又起到開孔的作用，使得孔徑變大，會(huì)使膜開裂。采用SEM對無機(jī)膜表面的形貌進(jìn)行分析（見圖1、2）。

由圖1可以看出，溶膠中添加適量PVA形成的膜表面無裂紋等缺陷，而從圖2可以看出，加入PVA過多時(shí)，膜的表面開裂，而且膜的表面不平整，這與上面的敘述正好相符合。

2.3 涂膜次數(shù)對成膜質(zhì)量的影響

對于浸漬法制備濾膜，關(guān)鍵是控制膜的厚度。當(dāng)復(fù)合溶膠性能一定且穩(wěn)定時(shí)，涂膜次數(shù)的不同對膜的厚度有很大影響，這影響到膜的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)只經(jīng)過一次浸漬、干燥、熱處理過程是不能在表面得到一層完整的膜的。表3是當(dāng)涂膜次數(shù)不同時(shí)，膜的質(zhì)量變化描述。

圖3—圖5是涂膜次數(shù)不同的樣品的SEM圖，圖3是涂膜一次的SEM圖，可以看出基本上沒有膜的成分，這可能因?yàn)檩d體的孔徑較大，而溶膠載體的孔徑很小，大部分溶膠顆粒都滲透進(jìn)去了，所以表面沒什么膜成分，這可能還受陶瓷管表面的光滑程度和平整性的限制。圖4是涂膜三次的SEM圖，由圖可以看出，膜的完整性，且顆粒分布比較均勻，是比較理想的膜，這可能是因?yàn)楫?dāng)涂膜次數(shù)增加時(shí)，載體表面開始沒膜的部分會(huì)涂上膜，而且會(huì)和以前膜的厚度差不多，這樣膜的厚度也就比較均勻，當(dāng)涂膜次數(shù)在增加時(shí)，膜的厚度會(huì)繼續(xù)增加，而膜的厚度增加會(huì)使膜容易開裂，使膜的質(zhì)量下降。圖5是涂膜四次時(shí)膜的SEM圖，由圖5可看出，膜的均勻度已較差，且出現(xiàn)了小裂紋。所以涂膜有個(gè)適宜次數(shù)，這和溶膠的溶度、顆粒大小有關(guān)，涂膜次數(shù)一般控制在3次。

3 結(jié) 論

化學(xué)組成控制在鋁溶膠、硅溶膠、鋯溶膠含量比值為5：1：1時(shí)，溶膠的穩(wěn)定性對于涂膜較好，且硅溶膠能在復(fù)合溶膠中起到應(yīng)有的作用。

PVA加入的作用主要起分散劑和粘結(jié)劑的作用，但PVA是有機(jī)大分子，在炭化時(shí)會(huì)影響膜的孔徑，所以應(yīng)控制PVA的含量，本實(shí)驗(yàn)PVA的加入量控制在2%左右。

浸漬法涂膜次數(shù)對膜的厚度有很大影響，當(dāng)涂膜次數(shù)少時(shí)會(huì)使膜不完整，而涂膜次數(shù)過多時(shí)，膜的厚度會(huì)增加，但過厚會(huì)使膜開裂，所以涂膜的次數(shù)一般以3次為宜。

參 考 文 獻(xiàn)

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