一种高孔隙率小孔径钛分离膜材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高孔隙率小孔径钛分离膜材料的制备方法，包括以下步骤：一、将硬质造孔剂颗粒和基体颗粒粉末混合，得到混合粉末；步骤二、将混合粉末进行轧制，得到钛分离膜坯体；步骤三、将钛分离膜坯体进行真空烧结，得到钛分离膜材料。本发明专利技术以制备具有薄孔壁的钛分离膜材料为前提，设计硬质造孔剂颗粒和基体颗粒粉末的尺寸和体积分数，然后将硬质造孔剂颗粒和基体颗粒粉末混合后轧制，再真空烧结，使基体颗粒粉末达到冶金结合，具有较好的力学性能，得到高孔隙率、小孔径、薄孔壁的钛分离膜材料，孔径和孔隙率匹配且连续可调，具有较高的分离效率、使用寿命长、耐热腐蚀、耐机械损伤，根据油相和污染物类型匹配合适的孔结构，实现按需油水分离。按需油水分离。按需油水分离。

【技术实现步骤摘要】
一种高孔隙率小孔径钛分离膜材料的制备方法


[0001]本专利技术属于多孔金属材料
，具体涉及一种高孔隙率小孔径钛分离膜材料的制备方法。

技术介绍

[0002]近年来频繁发生的海上原油泄漏事件，受到了各研究领域的重视，为使大海能够回归自然，海洋动植物有一个绿色安全的生活环境，研究者们开发了油水分离处理技术。该技术在工业中得到了大量的应用，常用的方法有离心法、气浮法、吸附分离、重力分离、电化学分离等，这些技术存在耗时、耗能、分离效率低、实施过程复杂、容易造成二次污染。为了对该技术改进，研究者们开发出新型分离膜材料，该材料对水相和油相具有相反的润湿性，目前超疏水/超亲油材料在使用过程中发现易被油相污染和堵塞，降低分离效率，重复再利用性差，基体材料不耐酸碱腐蚀、不耐压、使用温度范围窄，且多数超疏水材料一般会含有毒性含氟基团；那么无氟超亲水/超疏油材料可以通过选择性透过水，避免了以上问题。具体有聚合物膜、陶瓷膜、织物纤维等非金属膜材料，以及金属网膜(钛、铜、不锈钢等)。其中钛网由于其耐腐蚀性好、机械强度高，所应用的领域较为广泛，通过在钛网表面制备TiO2纳米结构可实现光催化降解有机物。根据Hagen
‑
Poiseuille方程，即哈根
‑
泊肃叶公式，高孔隙率有助于提高分离膜对水的透过性，小孔径有助于提高分离膜对油的选择性。钛网受制备工艺的制约，难以同时实现高孔隙率(透过性)和小孔径(选择性)两关键结构参数要求，使该材料的使用寿命难以达到理论值，且相差较大，且钛网的延展性较差，可编织能力有限，目前现有钛网无法满足金属油水分离膜在水乳化液分离中的应用，且高目数的钛网制备成本较高且工艺复杂；目前较为先进的3D打印技术也无法实现孔筋和孔径不大于100μm的零部件的制作。
[0003]因此需要一种高孔隙率小孔径钛分离膜材料的制备方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种高孔隙率小孔径钛分离膜材料的制备方法。该方法通过以制备具有薄孔壁的钛分离膜材料为前提，设计硬质造孔剂颗粒和基体颗粒粉末的尺寸和体积分数，然后将硬质造孔剂颗粒和基体颗粒粉末进行混合，之后在轧制中，进行钛分离膜坯体的制备，再进行真空烧结，使基体颗粒粉末达到冶金结合，具有较好的力学性能，得到高孔隙率、小孔径、薄孔壁的钛分离膜材料。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种高孔隙率小孔径钛分离膜材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0006]步骤一、将硬质造孔剂颗粒和基体颗粒粉末混合，得到混合粉末；所述硬质造孔剂颗粒和基体颗粒粉末满足公式：其中D
基
为基体颗粒粉末的粒径，D
硬
为硬质造孔剂颗粒的粒径，N为钛分离膜材料的孔壁厚度与基体颗粒粒径的比值，V
硬
为硬质造孔剂颗粒占有的体积分数；所述基体颗粒粉末为金属钛粉末；
[0007]步骤二、将步骤一中得到的混合粉末进行轧制，得到钛分离膜坯体；
[0008]步骤三、将步骤二中得到的钛分离膜坯体进行真空烧结，得到钛分离膜材料。
[0009]本专利技术通过以制备具有薄孔壁的钛分离膜材料为前提，设计硬质造孔剂颗粒和基体颗粒粉末的尺寸和体积分数，然后利用混料机将硬质造孔剂颗粒和基体颗粒粉末进行混合，之后在轧制中，进行钛分离膜坯体的制备，再进行真空烧结，使基体颗粒粉末达到冶金结合，具有较好的力学性能，得到高孔隙率、小孔径、薄孔壁的钛分离膜材料；所设计的钛分离膜材料孔径和孔隙率匹配且连续可调，具有较高的分离效率、使用寿命长、耐热腐蚀、耐机械损伤等性能，可根据油相和污染物类型匹配合适的孔结构，实现按需油水分离；本专利技术所用的制备方法过程简单、易于实现、成本较低、可进行批量生产，且在现代工业领域和海洋原油泄漏等方面具有很大的应用潜力；
[0010]本专利技术中硬质造孔剂颗粒在轧制过程中起到了造孔的作用，其均匀的与金属粉末混合在一起，在轧制过程中，在金属粉末中占据一定空间，在烧结前期起到支撑金属粉末的作用，通过缓慢的升温过程，不仅可以使金属粉末形成预烧结颈，能够减少后期高温烧结时的收缩，在烧结前期硬质造孔剂颗粒缓慢挥发成气体后消失，此空间即为后期金属粉末多孔材料的孔；
[0011]本专利技术通过使硬质造孔剂颗粒和基体颗粒粉末满足公式，该公式表示钛粉和造孔剂体积占比正比于钛粉和造孔剂的粒径比，当孔壁厚度不变时，造孔剂粒径越大，则孔隙率越大，但此时造孔剂遗留的孔径也较大，难以同时获得高孔隙率小孔径的多孔钛分离膜，只有恰当的钛粉和造孔剂粒径比搭配适当的N值，才能同时获得高孔隙率小孔径的多孔钛分离膜，N代表形成孔壁的平均钛粉个数，当N过高时，则有较多钛粉构成孔壁，当N较小时则构成孔壁的钛粉较少、孔壁较薄，当孔壁较薄时，代入公式可知，当钛粉和造孔剂粒径比较小时，也同样可以获得较高的钛粉和造孔剂体积占比，即当孔壁较薄、N值较低时，可同时获得高孔隙率、小孔径的多孔钛分离膜。
[0012]上述的一种高孔隙率小孔径钛分离膜材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述硬质造孔剂颗粒为碳酸氢铵、氯化钠或尿素。本专利技术通过控制硬质造孔剂颗粒的成分，保证了钛分离膜材料中具有合适的孔洞，并其后续容易去除，不会对钛分离膜材料造成影响，也具有成本低廉的优点。
[0013]上述的一种高孔隙率小孔径钛分离膜材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述硬质造孔剂颗粒的粒径不大于150μm。本专利技术通过控制硬质造孔剂颗粒的粒径，保证了硬质造孔剂颗粒的粒径处于较小的水平，从而保证了钛分离膜材料中具有较小的孔径，并且根据Hagen
‑
Poiseuille方程，当孔径大于150μm时，则对油的选择性大幅降低，也保证了钛分离膜材料的对油的分离性能。
[0014]上述的一种高孔隙率小孔径钛分离膜材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述N值取0.8～1.2。本专利技术通过控制N值，获得高孔隙率小孔径的钛分离膜材料。
[0015]上述的一种高孔隙率小孔径钛分离膜材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所
述轧制中轧制机轧辊的旋转速度为5rpm～15rpm，所述钛分离膜坯体的厚度为0.25mm～0.5mm。本专利技术通过控制钛分离膜坯体的厚度处于较薄的水平，有利于提高钛分离膜材料的透过性。
[0016]上述的一种高孔隙率小孔径钛分离膜材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述真空烧结的过程为：在真空度不大于1.0
×
10
‑2Pa的条件下，以5℃/min的升温速率加热至150℃～300℃后保温0.5h，然后以10℃/min的升温速率加热至850℃～950℃后保温2h。本专利技术通过两段烧结：在第一段烧结中消除造孔剂的同时使金属粉末保持整体结构不变，如果升温速度快或者没有此段，会造成造孔剂迅速挥发，金属粉末来不及形成预烧结颈，金属粉末之间没有一点结合力，在高温或者中温时就会由于金属粉末坍塌造成原本造孔剂的空间消失，制备不出具有孔的金属粉末多孔本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高孔隙率小孔径钛分离膜材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、将硬质造孔剂颗粒和基体颗粒粉末混合，得到混合粉末；所述硬质造孔剂颗粒和基体颗粒粉末满足公式：其中D
基
为基体颗粒粉末的粒径，D
硬
为硬质造孔剂颗粒的粒径，N为钛分离膜材料的孔壁厚度与基体颗粒粒径的比值，V
硬
为硬质造孔剂颗粒占有的体积分数；所述基体颗粒粉末为金属钛粉末；步骤二、将步骤一中得到的混合粉末进行轧制，得到钛分离膜坯体；步骤三、将步骤二中得到的钛分离膜坯体进行真空烧结，得到钛分离膜材料。2.根据权利要求1所述的一种高孔隙率小孔径钛分离膜材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述硬质造孔剂颗粒为碳酸氢铵、氯化钠或尿素。3.根据权利要求1所述的一种高孔隙率小孔径钛分离膜材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述硬质造孔剂颗粒的粒径不大于100μm。4.根据权利要求1所述的一种高...

【专利技术属性】
技术研发人员：敖庆波，吴琛，赵少阳，
申请(专利权)人：西北有色金属研究院，
类型：发明
国别省市：