專利名稱：TiB₂-Al₂O₃復(fù)合過(guò)濾材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種過(guò)濾材料及其制備工藝，尤其是一種多孔TiB2+Al203復(fù)相 陶瓷復(fù)合材料的過(guò)濾膜及其制備方法，屬于材料合成與加工領(lǐng)域。
技術(shù)背景無(wú)機(jī)材料過(guò)濾體由于具有高的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性愈來(lái)愈受到重視， 其材料主要是氧化鋁陶瓷以及銅、鎳、鋁、不銹鋼等金屬，廣泛應(yīng)用于國(guó)民 經(jīng)濟(jì)各生產(chǎn)、研究部門以及國(guó)防建設(shè)領(lǐng)域中的分離、分級(jí)、提純和富集等。 因?yàn)檫^(guò)濾體的材料、孔形、尺寸各異，制備方法主要有熔煉法、粉末冶金法、 纖維冶金法、鑄造法、金屬沉積法、腐蝕造孔法、氧化還原燒結(jié)法、溶膠-凝 膠法等。這些方法基于不同的原理，從不同結(jié)構(gòu)層次出發(fā)，各具特色，在過(guò) 濾體的研制、生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用。但是，這些多孔過(guò)濾體存在材料性能 單一，制備工序復(fù)雜、工藝過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)、能量消耗大、設(shè)備復(fù)雜等缺點(diǎn)。中國(guó)專利公開(kāi)號(hào)CN1584083 (申請(qǐng)?zhí)?00410046492.4 ，
公開(kāi)日2005 年2月23日)、中國(guó)專利公開(kāi)號(hào)CN1640529 (申請(qǐng)?zhí)?200410003039.5，公 開(kāi)日2005年7月20日)和俄羅斯專利RuNo. 2060927分別提出了利用Ni+Al 、 Ti+Al和Ni+Ti自蔓延高溫合成反應(yīng)制備金屬間化合物多孔催化劑載體和過(guò)濾 膜的方法。在多孔過(guò)濾體材料中引入物理性能及力學(xué)性能優(yōu)異的金屬間化合 物材料，在制備工藝中采用能耗低、工藝簡(jiǎn)單的自蔓延高溫合成技術(shù)。中國(guó)專利公開(kāi)號(hào)CN1651143 (申請(qǐng)?zhí)?00410100948. 0，
公開(kāi)日2005年8 月10日)提出了以Ti02或Ti、 C、 Al為原料，加入有機(jī)粘接劑后擠壓形成蜂 窩型陶坯，預(yù)熱后用電火花或激光束點(diǎn)燃自蔓延高溫合成反應(yīng)，得到Al203/TiC 導(dǎo)電型復(fù)相陶瓷催化劑載體及其制備方法。Al203因?yàn)槌杀镜土?，原料易得，抗氧化性、耐高溫性能?yōu)異，而成為應(yīng)用最為廣泛的一類無(wú)機(jī)材料，專利
200410041065. 7和97194166. 1分別提供了兩種燒結(jié)法制備不同組成、不同直
通孔形的Al203基陶瓷催化劑載體的方法。
但是，以上發(fā)明專利存在下列缺點(diǎn)①Ni+Al 、 Ti+Al、 Ni+Ti、 Ti02或
Ti+C+Al反應(yīng)體系放熱量低，制備的多孔金屬間化合物或陶瓷材料的強(qiáng)度低；
②多孔過(guò)濾體的孔隙率低，可控性差。如增大孔隙率，強(qiáng)度則大大降低，無(wú)
法滿足使用要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有過(guò)濾材料孔隙率低和強(qiáng)度低的技術(shù)問(wèn)題，提供一種 TiB2—Al203復(fù)相陶瓷管狀過(guò)濾膜材料復(fù)合材料(簡(jiǎn)稱TiB2—Al2(V復(fù)合過(guò)濾材 料)，這種復(fù)合過(guò)濾材料大幅度提高以A1203陶瓷為基體的過(guò)濾膜的強(qiáng)度、孔 隙率，并簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝流程，提高成品率，擴(kuò)大其使用范圍。 本發(fā)明同時(shí)提供這種復(fù)合過(guò)濾材料的制備方法及其用途。 為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的復(fù)合過(guò)濾材料是由TiB2相物質(zhì)以細(xì)小的六邊形 顆粒狀或者棒條形分布在A1A基體中，二者之間呈冶金結(jié)合；這種過(guò)濾材料 室溫機(jī)械強(qiáng)度可達(dá)到36.4-53.7Mpa，孔隙率可達(dá)到37.4-55.6%。 本發(fā)明的復(fù)合過(guò)濾材料呈三維立體連通的網(wǎng)絡(luò)狀微觀結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的TiB2 — Al203復(fù)合過(guò)濾材料可由以下方法制備獲得
它是以工業(yè)純的Ti02、 B203、 Al、 Al20:,為原料，利用等離子束引發(fā)自蔓延
高溫合成反應(yīng)，依靠原位反應(yīng)獲得多孔TiB2+Al203復(fù)合過(guò)濾材料。具體步驟如 下
(1)備好工業(yè)純的Ti02、 B203、 Al、 Al203粉未原料，按照下述原位反應(yīng) 式進(jìn)行配比10Al+3Ti02+3B203+xAl203 — 3Ti B2+ (5+x) A1203，其中x為 (10Al+3Ti02+3B203)體系總質(zhì)量的10-20%。
要求Ti02、 BA、 AU)3粉粒度為200目，Al粉粒度為100目。在這種粉末原料里，Ti02、 B203、 Al是反應(yīng)劑，Al203為稀釋劑。
(2) 在稱量好的粉末中，加入7-15%酒精調(diào)成漿狀，經(jīng)濕法混合均勻。
(3) 采用模壓擠出成型，獲得外徑O60-100mm，內(nèi)徑①50-90mm，高 50-100mm的管狀坯體。
(4) 將管狀坯體在100。C一15(TC下烘干4-8小時(shí)，使乙醇完全揮發(fā)；
(5) 將洗凈、烘干的沙子倒入管狀坯體內(nèi)，直至裝滿管狀坯體。
(6) 將裝滿沙子的管狀坯體放入高溫爐中使8203軟化為即為反應(yīng)劑又是 粘結(jié)劑，依靠軟化的B203，在管狀坯體粉末的局部造成一個(gè)個(gè)微小的半熔化區(qū) 域；既增加管狀坯體的強(qiáng)度，又有利于后續(xù)合成反應(yīng)。
(7) 開(kāi)啟等離子束點(diǎn)火裝置進(jìn)行自蔓延高溫合成反應(yīng)，反應(yīng)完畢即得到
TiB2+Al203復(fù)合過(guò)濾材料。
上述步驟(7)中的等離子束電流參數(shù)為100A,電壓40V，束柱直徑05mra; 自蔓延高溫合成反應(yīng)波蔓延速度為9-13cm/s。
上述步驟(6)中B2O3軟化時(shí)先將爐溫升高至450。C，再將裝滿沙子的管 狀坯體放入高溫爐中，保溫0.5小時(shí)后出爐冷卻。
由于本發(fā)明采用了上述的技術(shù)方案，制備TiB2+Al203復(fù)相陶瓷過(guò)濾材料的
方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果
(1) 利用工業(yè)純的Al、 Ti02、 8203為原料，合成TiB2+Al203復(fù)相陶瓷過(guò) 濾材料，原料來(lái)源廣泛，成本低。
(2) 利用10 Al+3 Ti02+3 B203之間的自蔓延高溫合成反應(yīng)，原位合成 TiB2+Al203復(fù)相陶瓷產(chǎn)物，其相組成如圖l所示。TiB2相以細(xì)小的六邊形顆粒 狀或者棒條形分布在Al203基體上，二者之間呈冶金結(jié)合。本發(fā)明的陶瓷過(guò)濾 材料與燒結(jié)得到的八1203基陶瓷過(guò)濾材料相比，具有更高的強(qiáng)度。
(3 )反應(yīng)合成的多孔材料內(nèi)部的孔洞形貌是三維立體連通的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)， 具有大的比表面積，如圖2、 3所示，省去造孔劑，既簡(jiǎn)化工序，又減少污染。 (4)通過(guò)改變?cè)环磻?yīng)過(guò)程的各種工藝參數(shù)，調(diào)整反應(yīng)體系的配比，合成的多孔材料的室溫機(jī)械強(qiáng)度達(dá)可到36.4-53.7Mpa，孔隙率可達(dá)到37.4-55.6%。
(5)利用10 Al+3 Ti02+3 8203之間的化學(xué)反應(yīng)熱，省去高溫?zé)Y(jié)工序； 同時(shí)利用B203在45(TC左右的軟化效果，對(duì)坯體原料中的A1、 Ti02 、八1203起 到粘結(jié)作用，省去了無(wú)機(jī)粘結(jié)劑，既節(jié)省能源，又減少污染。
本發(fā)明的復(fù)合過(guò)濾材料可用于環(huán)保行業(yè)污水過(guò)濾凈化、冶金行業(yè)熱交換器 及多種液體的過(guò)濾。當(dāng)液體通過(guò)多孔材料時(shí)，借助于其內(nèi)部的三維孔結(jié)構(gòu)，紊 流可以被轉(zhuǎn)換成非常穩(wěn)定的層流，從而有利于濾雜和排氣。


圖1是本發(fā)明反應(yīng)產(chǎn)物X—Ray衍射圖2是本發(fā)明復(fù)合過(guò)濾材料的微觀結(jié)構(gòu)圖，圖中八1203為(10 Al+3 Ti02+3 B203)體系總質(zhì)量的10%;
圖3也是本發(fā)明復(fù)合過(guò)濾材料的微觀結(jié)構(gòu)圖，圖中Al203為(10 Al+3 Ti02+3 B203)體系總質(zhì)量的20%。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)附圖和面給出的具體實(shí)施例可以進(jìn)一步了解本發(fā)明。 從圖1可以看出，本發(fā)明反應(yīng)產(chǎn)物為TiB2+Al203復(fù)相陶瓷產(chǎn)物。
從圖2和圖3可以看出，本發(fā)明反應(yīng)產(chǎn)物為多孔材料，內(nèi)部的孔洞形貌是 三維立體連通的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，具有大的比表面積。
實(shí)施例1:
首先備好工業(yè)純的Ti02、 B203、 Al、 A1A粉未原料，Ti02、 B203、 Al緒粒 度為200目，Al粉粒度為100目。粉末配制按照反應(yīng)式10 Al+3 Ti02+3 B203+xAl203 —3Ti B2+ (5+ x) A1203，其中x為(10 Al+3 Ti02+3 B203 )體系 總質(zhì)量的10%。在上述粉末原料里，Ti02、 B203、 Al是反應(yīng)劑，AIA為稀釋劑。 在稱量好的粉末中，加入7%酒精調(diào)成漿狀，經(jīng)濕法混合均勻。采用模壓擠出 成型，獲得外徑①60mm，內(nèi)徑050，高50mm的管狀坯體。將壓坯在IO(TC下烘 干8小時(shí)，使乙醇完全揮發(fā)；將沙子洗凈、烘干，倒入管狀坯體內(nèi)，直至裝滿管狀坯體。將爐溫升高至45(TC，再將裝滿沙子的管狀坯體放入爐中，保溫0.5 小時(shí)。隨后出爐冷卻。開(kāi)啟等離子束點(diǎn)火裝置，調(diào)整等離子束電流參數(shù)為100A ， 電壓40V，束柱直徑05mm。用等離子束引發(fā)自蔓延高溫合成反應(yīng)，反應(yīng)波蔓延 速度為13cm/s，反應(yīng)完畢即得TiB2+Al203復(fù)合過(guò)濾材料。經(jīng)檢測(cè)室溫機(jī)械強(qiáng)度 達(dá)可到53.7Mpa，孔隙率可達(dá)到37.4%。微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示 實(shí)施例2首先備好工業(yè)純的Ti02、 B203、 Al、 Al203粉未原料，Ti02、 BA、 Am粉粒 度為200目，Al粉粒度為100目。粉末配制按照反應(yīng)式10 Al+3 Ti02+3 B203+xAl203 —3TiB2+ (5+x) A1203，其中x為(10 Al+3 Ti02+3 B203 )體系 總質(zhì)量的15%。在上述粉末原料里，Ti02、 B203、 Al是反應(yīng)劑，Al203為稀釋劑。 在稱量好的粉末中，加入11%酒精調(diào)成漿狀，經(jīng)濕法混合均勻。采用模壓擠出 成型，獲得外徑①80腿，內(nèi)徑070，高80腿的管狀坯體。將壓坯在10(TC下烘 干6小時(shí)，使乙醇完全揮發(fā)；將沙子洗凈、烘干，倒入管狀坯體內(nèi)，直至裝滿 管狀坯體。將爐溫升高至45(TC，再將裝滿沙子的管狀坯體放入爐中，保溫0.5 小時(shí)。隨后出爐冷卻。開(kāi)啟等離子束點(diǎn)火裝置，調(diào)整等離子束電流參數(shù)為100A ， 電壓40V，束柱直徑cD5mm。用等離子束引發(fā)自蔓延高溫合成反應(yīng)，反應(yīng)波蔓延 速度為11cm/s，反應(yīng)完畢即得TiB2+Al203復(fù)相陶瓷管狀過(guò)濾膜。合成的多孔過(guò) 濾材料的室溫機(jī)械強(qiáng)度達(dá)可到45.4Mpa，孔隙率可達(dá)到46.7%。實(shí)施例3首先備好工業(yè)純的Ti02、 B203、 Al、 Al203粉未原料，Ti02、 B203、 A1A粉粒 度為200目，Al粉粒度為100目。粉末配制按照反應(yīng)式10 Al+3 Ti02+3 B203+xAl203 —3TiB2+ (5+x) A1203，其中x為(10 Al+3 Ti02+3 B203 )體系 總質(zhì)量的20%。在上述粉末原料里，Ti02、 B203、 Al是反應(yīng)劑，Al203為稀釋劑。 在稱量好的粉末中，加入15%酒精調(diào)成漿狀，經(jīng)濕法混合均勻。釆用模壓擠出 成型，獲得外徑O100mm，內(nèi)徑①80，高100,的管狀坯體。將壓坯在15(TC下 烘干4小時(shí)，使乙醇完全揮發(fā)；將沙子洗凈、烘干，倒入管狀坯體內(nèi)，直至裝滿管狀坯體。將爐溫升高至45(TC，再將裝滿沙子的管狀坯體放入爐中，保溫 0.5小時(shí)。隨后出爐冷卻。開(kāi)啟等離子束點(diǎn)火裝置，調(diào)整等離子束電流參數(shù)為 100A,電壓40V，束柱直徑①5腿。用等離子束引發(fā)自蔓延高溫合成反應(yīng)，反應(yīng) 波蔓延速度為9cm/s，反應(yīng)完畢即得TiB2+Al203復(fù)相陶瓷管狀過(guò)濾膜。經(jīng)檢測(cè) 室溫機(jī)械強(qiáng)度可達(dá)到36.4Mpa，孔隙率可達(dá)到55.6%。微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示。
權(quán)利要求
1.一種TiB2-Al2O3復(fù)合過(guò)濾材料，其特征是，它是由TiB2相物質(zhì)以細(xì)小的六邊形顆粒狀或者棒條形分布在Al2O3基體中，二者之間呈冶金結(jié)合；這種過(guò)濾材料室溫機(jī)械強(qiáng)度為36.4-53.7Mpa，孔隙率為37.4-55.6％。
2、 如權(quán)利要求l所述的TiB2—Al203復(fù)合過(guò)濾材料，其特征是，它的微觀 結(jié)構(gòu)為三維立體連通的網(wǎng)絡(luò)狀。
3、 一種如權(quán)利要求1所述的TiB2—Al203復(fù)合過(guò)濾材料的制備方法，其 特征是，它是以工業(yè)純的Ti02、 B203、 Al、 Al203為原料，利用等離子束引發(fā) 自蔓延高溫合成反應(yīng)，依靠原位反應(yīng)獲得多孔TiB2+Al203復(fù)合過(guò)濾材料；具 體步驟如下(1) 備好工業(yè)純的Ti02、 B203、 Al、 Al203粉未原料，按照下述原位反 應(yīng)式進(jìn)行配比10Al+3Ti02+3B203+xAl203 —3TiB2+ (5+x) A1203，其中x 為(10Al+3Ti02+3B203)體系總質(zhì)量的10-20%;要求Ti02、 B203、八1203粉粒度為200目，Al粉粒度為100目； 在這種粉末原料里，Ti02、 B203、 Al是反應(yīng)劑，六1203為稀釋劑；(2) 在稱量好的粉末中，加入7-15%酒精調(diào)成漿狀，經(jīng)濕法混合均勻；(3) 采用模壓擠出成型，獲得外徑(D60-100mm，內(nèi)徑050-90mm，高 50-100mm的管狀坯體；(4) 將管狀坯體在100。C—15(TC下烘干4-8小時(shí)，使乙醇完全揮發(fā)；(5) 將洗凈、烘干的沙子倒入管狀坯體內(nèi)，直至裝滿管狀坯體；(6) 將裝滿沙子的管狀坯體放入高溫爐中，使8203軟化為即為反應(yīng)劑又 是粘結(jié)劑，依靠軟化的BA，在管狀坯體粉末的局部造成一個(gè)個(gè)微小的半熔化 區(qū)域；(7) 開(kāi)啟等離子束點(diǎn)火裝置進(jìn)行自蔓延高溫合成反應(yīng)，反應(yīng)完畢即得到 TiB2+Al203復(fù)合過(guò)濾材料。
4、如權(quán)利要求3所述的TiB2—Al203復(fù)合過(guò)濾材料的制備方法，其特征是，所述的等離子束電流參數(shù)為100A，電壓為40V，束柱直徑為05醒；自蔓 延高溫合成反應(yīng)波蔓延速度為9-13cm/s。
5、如權(quán)利要求3或4所述的T舊2—Al203復(fù)合過(guò)濾材料的制備方法，其 特征是，軟化B203時(shí)先將爐溫升高至450°C ，再將裝滿沙子的管狀坯體放入 高溫爐中，保溫0.5小時(shí)后出爐冷卻。
6.如權(quán)利要求l所述的TiB2—Al203復(fù)合過(guò)濾材料，其特征在于環(huán)保行業(yè)污 水過(guò)濾凈化、冶金行業(yè)熱交換器或多種液體過(guò)濾中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種TiB₂-Al₂O₃復(fù)合過(guò)濾材料，它是以工業(yè)純的TiO₂、B₂O₃、Al、Al₂O₃為原料，利用等離子束引發(fā)自蔓延高溫合成反應(yīng)，依靠原位反應(yīng)獲得多孔TiB₂+Al₂O₃復(fù)合過(guò)濾材料，其結(jié)構(gòu)是由TiB₂相物質(zhì)以細(xì)小的六邊形顆粒狀或者棒條形分布在Al₂O₃基體中，二者之間呈冶金結(jié)合。本發(fā)明過(guò)濾材料用于環(huán)保行業(yè)污水過(guò)濾凈化、冶金行業(yè)熱交換器或多種液體的過(guò)濾。
文檔編號(hào)C04B35/622GK101301552SQ200810138310
公開(kāi)日2008年11月12日 申請(qǐng)日期2008年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月8日
發(fā)明者杰 吳, 崔洪芝 申請(qǐng)人:山東科技大學(xué)