一种碳化硅基气固分离材料及其制备方法与流程

1.本发明属于采用刚性空心滤体的粒子分离器技术领域，涉及一种碳化硅基气固分离材料及其制备方法。


背景技术：

2.自21世纪以来，我国经济与社会进入了一个高速发展的阶段，但随之而来的是越来越多的环境污染。以空气污染为例，随着我国人均汽车拥有率的提高，汽车尾气中的二氧化硫、氮氧化物、碳氧化物等有害物质已严重危害着我国空气质量。为控制汽车尾气排放，改善空气质量，相关领域的技术人员采用在车尾气排放系统当中设置一种多孔材料净化装置，通过利用该种装置的催化净化作用，有效降低了汽车运行过程中产生的废气量，还能降解混合气体，使有害气体转化为无害气体。
3.工业废气作为空气污染的一大主要来源，其含有的细颗粒粉尘与二氧化硫等有害物质不仅造成pm2.5指数超标，还通过形成酸雨对人们的生产生活与自然环境产生恶劣影响。目前，国内工业废气主要通过除尘、脱硫与脱硝工艺实现对废气的净化，然而现在主流的旋风除尘、静电除尘、颗粒床除尘技术等，普遍都存在除尘效率低、使用复杂、设备使用寿命短等缺点。新型的除尘工艺多孔材料除尘技术由于其可控的除尘精度与高效的除尘效率受到了重视。
4.但采用多孔材料对汽车尾气与工业废气进行处理对多孔材料本身提出了严格的要求，因为净化过程需要在高温环境下进行，因此材料本身必须具备良好的高温强度与抗热震性能。而且由于现在的工业废气与汽车尾气中含有许多氧化物与硫化物，以金属材料制备而成的除尘多孔材料在化学稳定性与使用寿命上存在明显的问题，因此学者们开始使用耐腐蚀的无机材料制备出的多孔陶瓷代替传统金属材料用于高温除尘，但现有的多孔陶瓷除尘材料在强度、热稳定性与化学稳定性上仍有着明显的不足，因此制备高性能的除尘用多孔陶瓷材料具有重要的应用价值。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种碳化硅基气固分离材料及其制备方法，该碳化硅基气固分离材料具有优越的高温强度、耐腐蚀性、化学稳定性等性能。
6.为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
7.提供一种碳化硅基气固分离材料，所述碳化硅基气固分离材料各原料组分及其质量份配比如下：碳化硅粉体65～85份，二氧化硅粉体8～13份，造孔剂0.5～2份，分散剂1～4份，粘结剂5～10份。
8.按上述方案，所述碳化硅基气固分离材料显气孔率为40～50％，平均孔径10～16μm，抗折强度为33～40mpa，参照《gb/t 1970
‑
1996多孔陶瓷耐酸、碱腐蚀性能试验方法》测试其耐酸与耐碱强度损失率均能维持在0.3％以下，室温～1200℃热循环50次强度损失率仅
为13～16％(成品置于硅铝棒炉中由室温经4h升至1200℃，保温10min，随后取出置于20℃水中水淬后，即为一次热循环)。
9.按上述方案，所述碳化硅粉体粒度为10～15μm，纯度为95wt％以上。
10.按上述方案，所述二氧化硅粉体粒度为2～5μm，纯度为96wt％以上。
11.按上述方案，所述造孔剂为石墨，粒度为14～17μm，纯度为98wt％以上。
12.按上述方案，所述分散剂由氢氟酸溶液与四甲基氢氧化铵溶液、聚乙烯亚胺、甲基纤维素中的一种或几种复配制得，其中氢氟酸溶液质量浓度为15～20％，四甲基氢氧化铵溶液质量浓度为20～25％，聚乙烯亚胺数均分子量为700～1200万，甲基纤维素纯度大于99wt％。采用氢氟酸溶液作为分散剂，不仅可以使烧成体系中的粉体具有良好的分散性，有利于高温烧结进行，而且氢氟酸的强酸性可以洗去碳化硅粉体表面的杂质离子或无定型氧化硅，进而提高碳化硅粉体在浆料中的表面zeta电位，增大碳化硅颗粒之间的静电斥力，从而改善悬浮液的流变特性，提高浆料的固相含量，使得制备出来的成品中碳化硅纯度提高(由于碳化硅是以牢固的共价键为主的化合物，且共价键性极强，所以碳化硅有着很高的硬度，显微硬度达30gpa，在高温状态下仍保持高的键合强度，不易发生塑性变形和蠕变，因此生成的高纯度碳化硅有利于增强成品的高温稳定性与机械强度)，此外，氢氟酸与粘结剂中所含有的氧化铝在高温环境下可发生反应生成氟化铝，氟化铝可与碳化硅表面的氧化硅反应生成氟黄玉，氟黄玉在高温下可分解形成莫来石相，从而增强碳化硅多孔陶瓷的机械性能与化学稳定性。而四甲基氢氧化铵可改善粉体的表面电荷，通过提高其zeta电位的绝对值来增大颗粒间的静电排斥力，并在颗粒表面形成比较稳定的吸附层，以吸附层的空间位阻作用实现增强颗粒间斥力的目的，从而使得碳化硅粉体达到稳定分散；聚乙烯亚胺与甲基纤维素是性能良好的表面活性剂，加入后可与碳化硅粉体颗粒表面的原子形成氢键、配位键或利用范德华力，正负电荷作用吸附在碳化硅粉体表面，进而改善碳化硅颗粒粉体的亲水性与流动性。
13.按上述方案，所述粘结剂为钾长石粉末，钾长石粉末中k2o含量大于7.5％(这里含量均指质量百分含量)，fe2o3含量小于1.03％，k2o na2o含量大于14％，al2o3含量19～22％，sio2含量为68～70％，钾长石密度为2.54～2.57g/cm3。本发明采用钾长石作为粘结剂，钾长石在烧成前可起到瘠性原料的作用，其中sio2可减少干燥收缩，缩短干燥时间，改善干燥性能；烧成时，k2o与na2o可作为助熔剂，降低烧成温度，加速sio2与al2o3形成莫来石，莫来石与碳化硅相容性好，可与碳化硅颗粒形成稳定粘结，同时，钾长石熔融产生的玻璃体可以填充莫来石晶粒空隙，提高碳化硅的强度，并且由于碳化硅不易液化或气化，烧结阶段收缩小，材料本身耐腐蚀性能好，使得制备出的产品强度与化学稳定性得到明显提升。
14.本发明还提供上述碳化硅基气固分离材料的制备方法，具体步骤如下：
15.1)按比例称取原料，备用；
16.2)将碳化硅粉体、二氧化硅粉体、造孔剂、分散剂、粘结剂混合后球磨得到浆料，再将浆料通过模具浇筑，然后置于鼓风干燥箱中烘干，待样品烘干后放入马弗炉中预烧以去除造孔剂，最后将预烧好的样品置于管式炉中，以co2为保护气体进行烧结，随炉冷却至室温得到碳化硅基气固分离材料。
17.按上述方案，步骤2)所述球磨工艺条件为：以300～400r/min的转速球磨1～2h。
18.按上述方案，步骤2)置于鼓风干燥箱中烘干的工艺条件为：100～120℃下烘2～
3h。
19.按上述方案，步骤2)所述预烧工艺条件为：室温下以4～6℃/min的升温速率升温至680～700℃下保温1～2h。
20.按上述方案，步骤2)所述烧结工艺条件为：室温下以10～15℃/min的升温速率升温至1300～1450℃下保温2～3h。
21.本发明还包括上述碳化硅基气固分离材料在气固分离领域的应用。如高温除尘等。
22.碳化硅化学性质比较稳定，耐腐蚀性能优异，本发明基于碳化硅等原料制备的多孔碳化硅陶瓷具有高强度、耐高温、耐腐蚀、抗氧化、导热性能好、结构稳定等优点。莫来石具有优异的力学性能，抗氧化，耐腐蚀，并且热稳定性好，且莫来石与碳化硅具有良好的化学相容性，以莫来石为结合相可赋予碳化硅更好的使用性能，本发明制备的莫来石堆积在碳化硅颗粒间的颈部，增大了颈部面积与颈部曲率半径，填充碳化硅颗粒间空隙的同时，可使碳化硅颗粒烧结时在莫来石相处进行溶解
‑
沉淀，从而进一步使碳化硅内部结构致密，增强碳化硅陶瓷的强度与抗热震性能。
23.本发明的有益效果在于：1、本发明以碳化硅颗粒为骨料，烧结出一种碳化硅气固分离材料，其具有优越的高温强度、耐腐蚀性、化学稳定性等性能，满足高温烟气甚至高温腐蚀性烟气的气固分离需求；2、本发明采用注浆成型制备多孔碳化硅基气固分离材料，该方法步骤简单，生产效率高，并可根据工艺需求制备出不同形状与规格的膜器件，具有重要的推广价值。
附图说明
24.图1为本发明实施例1所制备的碳化硅基气固分离材料的xrd图；
25.图2为实施例1所制备的碳化硅基气固分离材料的sem图。
具体实施方式
26.为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
27.以下实施例中，采用的碳化硅的粒度d
50
＝12μm，碳化硅粉体的纯度为98wt％，由安阳市开拓冶金耐材有限公司提供；采用的二氧化硅粉体的粒度d
50
＝3.0μm，纯度为98wt％，由上海晶炼新材料有限公司提供；采用的造孔剂石墨粒度d
50
＝15μm，纯度为98wt％，由灵寿亿鑫矿产品加工厂提供；采用的粘结剂钾长石粉末由常州荣奥化工新材料有限公司提供，其中k2o含量为18％，fe2o3含量为1.01％，na2o含量为0.05％，al2o3含量为19.4％，sio2含量为68.7％，钾长石密度为2.54g/cm3；采用的聚乙烯亚胺由武汉普洛夫生物科技有限公司提供，数均分子量为800万；采用的甲基纤维素由江苏大尧化工材料有限公司提供，其纯度为99wt％。
28.实施例1
29.一种碳化硅基气固分离材料，其制备方法具体步骤如下：
30.(1)将氢氟酸溶液(质量浓度20％)与四甲基氢氧化铵溶液(质量浓度25％)按质量比1：1混合，得到分散剂；
31.(2)将碳化硅粉体、二氧化硅粉体、石墨、分散剂、钾长石粉末按质量比79：9：1：2：9混合，将混合后的原料放入球磨机中，以300r/min的转速球磨1h后得到浆料，再将浆料通过模具浇筑，然后置于120℃鼓风干燥箱中烘3h，将烘干后的样品放入马弗炉中以5℃/min升温速率从室温升温至680℃并保温2h以去除造孔剂石墨，最后将预烧好的样品置于管式炉中，以co2为保护气体，室温下以15℃/min的速率升温至1450℃保温2h，制备得到碳化硅基气固分离材料。
32.经检测，本实施例制备的碳化硅基气固分离材料孔隙率为44.6％，平均孔径为11.50μm，抗折强度参照《gb/t 1965
‑
1996多孔陶瓷弯曲强度试验方法》测定为34mpa，碳化硅基气固分离材料表面与水的接触角为0.3
°
，碳化硅基气固分离材料过滤压降
△
p(采用真空泵以1m/min的流速将过滤气体通过样品，测定样品进口和出口的静压之差)为31.0pa。
33.如图1所示为本实施例所制备的碳化硅基气固分离材料的xrd图，由图可知，本实施例通过对原料进行酸洗与表面改性处理，制备出了高纯度碳化硅成品。
34.图2为本实施例所制备的碳化硅基气固分离材料的sem图，由图可看出产品表面颗粒形貌规则，分布良好，孔径大小为10.0～12.0μm。
35.参照《gb/t 1970
‑
1996多孔陶瓷耐酸、碱腐蚀性能试验方法》对本实施例制备的碳化硅基气固分离材料耐腐蚀性能进行测试，其耐腐蚀性能与高温稳定性(成品置于硅铝棒炉中由室温经4h升至1200℃，保温10min，随后取出置于20℃水中水淬后，即为一次热循环)测试结果见下表1。
36.表1
[0037][0038]
实施例2
[0039]
一种碳化硅基气固分离材料，其制备方法具体步骤如下：
[0040]
(1)将氢氟酸溶液(质量浓度20％)、四甲基氢氧化铵溶液(质量浓度25％)、聚乙烯亚胺按质量比1：1：1混合，得到分散剂；
[0041]
(2)将碳化硅粉体、二氧化硅粉体、石墨、分散剂、钾长石粉末按质量比80：10：1：1.5：7.5混合，将混合后的原料放入球磨机中，以300r/min的转速球磨1h后得到浆料，再将浆料通过模具浇筑，然后置于120℃鼓风干燥箱中烘3h，将烘干后的样品放入马弗炉中以5℃/min升温速率从室温升温至680℃并保温2h以去除造孔剂石墨，最后将预烧好的样品置于管式炉中，以co2为保护气体，室温下以15℃/min的速率升温至1450℃保温2h，制备得到碳化硅基气固分离材料。
[0042]
经检测，本实施例制备的碳化硅基气固分离材料孔隙率为41.1％，平均孔径为11.82μm，抗折强度参照《gb/t 1965
‑
1996多孔陶瓷弯曲强度试验方法》测定为32.3mpa，碳化硅基气固分离材料表面与水的接触角为0.3
°
，碳化硅基气固分离材料过滤压降为32.2pa。参照《gb/t 1970
‑
1996多孔陶瓷耐酸、碱腐蚀性能试验方法》对本实施例制备的碳化硅基气固分离材料耐腐蚀性能进行测试，其耐腐蚀性能与高温稳定性测试结果见下表2。
[0043]
表2
[0044][0045]
实施例3
[0046]
一种碳化硅基气固分离材料，其制备方法具体步骤如下：
[0047]
(1)将氢氟酸溶液(质量浓度20％)、四甲基氢氧化铵溶液(质量浓度25％)、甲基纤维素按质量比1：1：1混合，得到分散剂；
[0048]
(2)将碳化硅粉体、二氧化硅粉体、石墨、分散剂、钾长石粉末按质量比82：8：2：2：6混合，将混合后的原料放入球磨机中，以300r/min的转速球磨1h后得到浆料，再将浆料通过模具浇筑，然后置于120℃鼓风干燥箱中烘3h，将烘干后的样品放入马弗炉中以5℃/min升温速率从室温升温至680℃并保温2h以去除造孔剂石墨，最后将预烧好的样品置于管式炉中，以co2为保护气体，室温下以15℃/min的速率升温至1450℃保温2h，制备得到碳化硅基气固分离材料。
[0049]
经检测，本实施例制备的碳化硅基气固分离材料孔隙率为40.1％，平均孔径为11.32μm，抗折强度参照《gb/t 1965
‑
1996多孔陶瓷弯曲强度试验方法》测定为32.3mpa，碳化硅基气固分离材料表面与水的接触角为0.3
°
，碳化硅基气固分离材料过滤压降为33.0pa。参照《gb/t 1970
‑
1996多孔陶瓷耐酸、碱腐蚀性能试验方法》对本实施例制备的碳化硅基气固分离材料耐腐蚀性能进行测试，其耐腐蚀性能与高温稳定性测试结果见下表3。
[0050]
表3
[0051][0052]
实施例4
[0053]
一种碳化硅基气固分离材料，其制备方法具体步骤如下：
[0054]
(1)将氢氟酸溶液(质量浓度20％)、聚乙烯亚胺按质量比1.5：1混合，得到分散剂；
[0055]
(2)将碳化硅粉体、二氧化硅粉体、石墨、分散剂、钾长石粉末按质量比81：9：1：3：6混合，将混合后的原料放入球磨机中，以300r/min的转速球磨1h后得到浆料，再将浆料通过模具浇筑，然后置于100℃鼓风干燥箱中烘2h，将烘干后的样品放入马弗炉中以5℃/min升温速率从室温升温至680℃并保温2h以去除造孔剂石墨，最后将预烧好的样品置于管式炉中，以co2为保护气体，室温下以15℃/min的速率升温至1450℃保温2h，制备得到碳化硅基气固分离材料。
[0056]
经检测，本实施例制备的碳化硅基气固分离材料孔隙率为43.7％，平均孔径为11.44μm，抗折强度参照《gb/t 1965
‑
1996多孔陶瓷弯曲强度试验方法》测定为31.6mpa，碳化硅基气固分离材料表面与水的接触角为0.3
°
，碳化硅基气固分离材料过滤压降为34.3pa。参照《gb/t 1970
‑
1996多孔陶瓷耐酸、碱腐蚀性能试验方法》对本实施例制备的碳化硅基气固分离材料耐腐蚀性能进行测试，其耐腐蚀性能与高温稳定性测试结果见下表4。
[0057]
表4
[0058][0059]
实施例5
[0060]
一种碳化硅基气固分离材料，其制备方法具体步骤如下：
[0061]
(1)将氢氟酸溶液(质量浓度20％)、四甲基氢氧化铵溶液(质量浓度25％)、甲基纤维素、聚乙烯亚胺按质量比1：1：1：1混合，得到分散剂；
[0062]
(2)将碳化硅粉体、二氧化硅粉体、石墨、分散剂、钾长石粉末按质量比78：10：1：2：9混合，将混合后的原料放入球磨机中，以300r/min的转速球磨1h后得到浆料，再将浆料通过模具浇筑，然后置于100℃鼓风干燥箱中烘2h，将烘干后的样品放入马弗炉中以5℃/min升温速率从室温升温至680℃并保温2h以去除造孔剂石墨，最后将预烧好的样品置于管式炉中，以co2为保护气体，室温下以15℃/min的速率升温至1450℃保温2h，制备得到碳化硅基气固分离材料。
[0063]
经检测，本实施例制备的碳化硅基气固分离材料孔隙率为43.9％，平均孔径为11.53μm，抗折强度参照《gb/t 1965
‑
1996多孔陶瓷弯曲强度试验方法》测定为30.5mpa，碳化硅基气固分离材料表面与水的接触角为0.3
°
，碳化硅基气固分离材料过滤压降为32.8pa。参照《gb/t 1970
‑
1996多孔陶瓷耐酸、碱腐蚀性能试验方法》对本实施例制备的碳化硅基气固分离材料耐腐蚀性能进行测试，其耐腐蚀性能与高温稳定性性能测试结果见下表5。
[0064]
表5
[0065]