三维打印制备具有立体通道的蜂窝型陶瓷膜组件的方法技术

本发明专利技术涉及一种三维打印制备具有立体通道的蜂窝型陶瓷膜组件的方法，属于无机膜分离技术领域。本发明专利技术基于陶瓷材料三维打印成型技术，以陶瓷粉体为原料，使用三维绘图软件设计结构，利用陶瓷三维打印机输出，一步法打印制备成具有立体通道结构的蜂窝型陶瓷膜组件的生坯，经过烧结后，获得陶瓷膜组件多孔基体；采用乳液浸渍法，在陶瓷膜组件多孔基体上沉积生成一层选择透过性功能薄膜层，获得陶瓷膜组件。本发明专利技术不仅制备高效、节约成本，大大提高传质速率，而且自动化程度高、批次稳定。

【技术实现步骤摘要】
三维打印制备具有立体通道的蜂窝型陶瓷膜组件的方法
本专利技术涉及一种三维打印制备具有立体通道的蜂窝型陶瓷膜组件的方法，属于无机膜分离

技术介绍
无机膜分离技术是一种重要的化工分离技术。利用无机膜的分离功能和催化反应过程耦合，也是反应-分离工程的重要应用领域。陶瓷中空纤维技术将无机膜的结构发展到一个新的水平，利用挤出成型法或者相转化纺丝法可以制备直径小于2mm的陶瓷中空纤维，大大提高了无机膜组件在单位体积内的交换面积。中国专利CN101905121A公开一种增强氧化铝中空纤维的方法，该方法在氧化铝粉料中加入了一种增强剂，然后与聚合物溶液相混合，获得铸膜液，再通过特制的喷丝头模具，将铸膜液挤入凝固浴中，经过干燥和烧结后，获得中空纤维陶瓷膜。但是该方法只是一种制备单根陶瓷中空纤维膜的方法，要想获得大规模工业应用，必须将单根膜组装成膜组件。将中空纤维陶瓷膜或者陶瓷微管制备成膜组件的技术也一直在探索中。中国专利CN1676198公开一种陶瓷中空纤维膜组件制备方法及膜反应器及其制法和应用。其制备的陶瓷中空纤维膜制成管状，并列的管组成管束；反应器由管束、安置盘和封头依次镶嵌联接构成；进气端封闭出气端开口的陶瓷中空纤维膜管插接在模具中，模具插接在管束安置盘孔板中；安置盘插接在封头承槽内；其管与模具插接处，模具与管束安置盘插接处，安置盘与封头插接处，镶嵌密封配合。中国专利CN101318106也公开一种由多根中空纤维陶瓷膜并列连接构成的板状中空纤维陶瓷膜元件及其制备方法，特征是将多根一端封闭、一端开口或两端开口的中空纤维陶瓷膜生坯，两端对齐单层并列，在相互紧密接触的状态下以900～1600℃高温烧结5～20小时；或采用挤出成型制备由中空纤维陶瓷膜单层并列连接构成的板状中空纤维陶瓷膜生坯，干燥后以900～1600℃高温烧结5～20小时。与单根中空纤维陶瓷膜元件相比，本专利技术元件的机械强度显著提高，有利于制备大尺寸的膜元件，提高陶瓷膜的可靠性和使用寿命，并由于组装分散度的降低，膜组件的填装密度不但不降低，反而可进一步提高。中国专利CN103349918A公开一种制备多通道陶瓷中空纤维膜的方法，以一定比例将陶瓷粉体、高分子聚合物、有机溶剂和分散剂混合均匀制备铸膜液。铸膜液经过脱气泡处理后，在多通道中空纤维模具以及相转化的协同作用下形成膜生坯。膜生坯经过高温焙烧形成多通道陶瓷中空纤维膜。专利技术的多通道陶瓷中空纤维膜具有自身非对称结构以及内腔中的骨架结构，能够同时满足陶瓷中空纤维膜强度和通量要求。中国专利CN102512962A公开一种多管程无机分离膜组件，由管式膜管、花盘板、管板、外壳和封盖组成，花盘板的外径和外壳的内径相适应，管板和花盘板上分别设有若干孔，管式膜管穿过两块花盘板及管板上的孔，搁置在两块花盘板及管板上，管式膜管固定在管板之间；所述封盖和外壳的左右两端密封连接，在其中一端的封盖上设有抽真空口；在多管程无机分离膜组件的两端，管板和花盘板之间的空间构成物料分程腔，在外壳的下方和物料分程腔位置对应处设有进料口，在外壳的上方和物料分程腔位置对应处设有料液出口，在物料分程腔内的管式膜管的套管上、下端开有渗透孔，在物料分程腔内间隔设置有挡板；在外壳的上方两个花盘板之间位置设有热介质进口，在外壳的下方设有冷凝水出口。中国专利CN103285736A公开一种具有高膜面积/体积比的无机膜元件，包括蜂窝无机膜，所述蜂窝无机膜由多孔支撑体和过滤孔道构成，所述过滤孔道的内表面为分离膜层。此外，所述蜂窝无机膜的过滤孔道内设置有中空纤维无机膜，所述中空纤维无机膜呈中空柱状而具有内通道以及作为分离膜层的外表面。该专利还公开了上述无机膜元件及其膜组件的制备方法。本专利技术大大提高了无机膜的膜面积/体积比，同时有效解决了中空纤维无机膜的构型与其过滤模式之间的矛盾，并且具有良好的现有设备适应性，有助于大规模地推广和应用。以上的膜组件制备技术无一例外的都是先利用挤出成型法或者纺丝成型法制备出单条中空纤维陶瓷膜，然后再利用一定的技术手段，将大量的中空纤维陶瓷膜粘接、固定、密封而成束。这些技术耗时费力，成本高昂，批次性能不稳定，人工依赖性强，不利于无机膜技术的产业化发展。目前已有的工业技术中，蜂窝型多通道无机膜是一种高效的大规模制膜方法。中国专利CN101456744公开一种蜂窝型陶瓷膜的制备方法。制备过程包括：制备聚合物溶液；制备陶瓷-聚合物铸膜液；制备蜂窝型管状陶瓷膜坯体；制备蜂窝型管状陶瓷膜。采用从内而外依次由内芯管，中套管和外套管镶套构成的专用蜂窝型模具，一次性制得具有多孔支撑层、过渡层及有效分离层非对称结构的蜂窝型管状陶瓷膜。蜂窝型无机膜主要是通过挤出成型技术一步加工而成的多条微管的并联膜组件，因为孔道的壁互相连在一起，不能直接接触外部介质，这种蜂窝型多通道无机膜的每一条蜂窝孔道与外界的传质都严重地受限，只能依靠蜂窝壁的多孔性能与外界进行物质交换。因此蜂窝型无机膜的孔道不能做很多，否则造成蜂窝中心孔道的传质效率大大降低。三维打印技术作为一种新型的材料成型技术，在制造领域中引起广泛关注。利用三维打印技术可以制备塑料型材，金属型材以及陶瓷型材等，但是真正的工业应用还没有开始，尤其是在无机膜的制备领域还没有受到关注。目前三维打印制备具有立体通道的蜂窝型陶瓷膜组件的方法未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种三维打印制备具有立体通道的蜂窝型陶瓷膜组件的方法，解决目前无机膜组件制备耗时费力，成本高昂，批次性能不稳定，人工依赖性强，以及蜂窝型膜组件传质效率低的问题。本专利技术所述的采用三维打印制备具有立体通道的蜂窝型陶瓷膜组件的方法，包括以下步骤：(1)以陶瓷粉体为原料，使用三维绘图软件设计结构，利用陶瓷三维打印机输出，一步法打印制备成具有立体通道结构的蜂窝型陶瓷膜组件的生坯；(2)陶瓷膜组件生坯经过烧结后，获得陶瓷膜组件多孔基体；(3)采用乳液浸渍法，在陶瓷膜组件多孔基体上沉积生成一层选择透过性功能薄膜层，获得陶瓷膜组件。所述的陶瓷粉体选用无机粉体，优选为Al2O3、ZrO2、TiO2或SiO2中的一种或多种，其粒度为0.02～10微米。所述的三维绘图软件优选ug，catia，pre，3Dmax等。所述的具有立体通道的蜂窝型陶瓷膜组件包括相互平行排列的多组陶瓷微管，每组陶瓷微管均设置在各自的陶瓷筋板上，每组陶瓷微管包含陶瓷微管管口呈直线排列的多个陶瓷微管，平行排列的多组陶瓷微管之间彼此分离，形成管间流体通道；陶瓷微管两端均由陶瓷管板将陶瓷微管固定连接成束，端面为蜂窝状，两块陶瓷管板的两侧分别由两块陶瓷支撑板相连，陶瓷支撑板与陶瓷管板垂直，陶瓷管板、陶瓷支撑板、陶瓷微管与陶瓷筋板均为一体化形成。所述的管间流体通道为直通道或S型曲折通道。所述的直通道是相邻的两组陶瓷微管的任意两条陶瓷微管的中心线在同一条直线上；所述的S型曲折通道是指相邻的两组陶瓷微管的任意三条陶瓷微管呈三角形分布，即其中一组选1条陶瓷微管，另外一组选2条陶瓷微管。无论怎么排列都可以，只要相邻的两组陶瓷微管之间形成管间流体通道即可。所述的具有立体通道的蜂窝型陶瓷膜组件是指，膜组件具有成束的管通道，但是和挤出成型的蜂窝组件的最大不同之处是：该结构还拥有与管束方向垂直的管间流体通道，整本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维打印制备具有立体通道的蜂窝型陶瓷膜组件的方法，其特征在于包括以下步骤：(1)以陶瓷粉体为原料，使用三维绘图软件设计结构，利用陶瓷三维打印机输出，一步法打印制备成具有立体通道结构的蜂窝型陶瓷膜组件的生坯；(2)生坯经过烧结后，获得陶瓷膜组件多孔基体；(3)采用乳液浸渍法，在陶瓷膜组件多孔基体上沉积生成一层选择透过性功能薄膜层，获得陶瓷膜组件。

【技术特征摘要】
1.一种三维打印制备具有立体通道的蜂窝型陶瓷膜组件的方法，其特征在于包括以下步骤：（1）以陶瓷粉体为原料，使用三维绘图软件设计结构，利用陶瓷三维打印机输出，一步法打印制备成具有立体通道结构的蜂窝型陶瓷膜组件的生坯；（2）生坯经过烧结后，获得陶瓷膜组件多孔基体；（3）采用乳液浸渍法，在陶瓷膜组件多孔基体上沉积生成一层选择透过性功能薄膜层，获得陶瓷膜组件；具有立体通道的蜂窝型陶瓷膜组件包括相互平行排列的多组陶瓷微管（4），每组陶瓷微管（4）均设置在各自的陶瓷筋板（6）上，每组陶瓷微管（4）包含陶瓷微管管口（1）呈直线排列的多个陶瓷微管（4），平行排列的多组陶瓷微管（4）之间彼此分离，形成管间流体通道（5）；陶瓷微管（4）两端均由陶瓷管板（2）将陶瓷微管（4）固定连接成束，端面为蜂窝状，两块陶瓷管板（2）的两侧分别由两块陶瓷支撑板（3）相连，陶瓷支撑板（3）与陶瓷管板（2）垂直，陶瓷管板（2）、陶瓷支撑板（3）、陶瓷微管（4）与陶瓷筋板（6）均为一体化形成。2.根据权利要求1所述的方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨乃涛，孟秀霞，石莹，刘少敏，申义驰，孟波，谭小耀，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：山东;37