添加SiO2和TiO2的氧化鋁陶瓷微濾膜載體的耐酸堿性研究

饒卉+汪永清

摘 要：陶瓷微濾膜載體作為無機膜的基礎，對于膜層的制備和無機膜的使用穩定性都有著重要影響。要制備性能良好的無機膜，首先必須要有高質量耐酸堿性能良好的陶瓷微濾膜載體。本文采用干壓成型法，對Al2O3-SiO2-TiO2體系樣品進行了燒結性能、抗折強度和耐酸堿腐蝕的研究。研究結果表明，以96%的α-Al2O3（粒徑20 μm）為骨料，添加3%的硅溶膠以及1%的二氧化鈦的微濾膜載體在1400 ℃燒成，可獲得具有較高的抗折強度及良好的耐酸堿性能的樣品。

關鍵詞：陶瓷微濾膜；氧化鋁載體；耐酸堿性

1 前言

微濾膜陶瓷材料廣泛應用在液體分離和氣體分離領域。雖然陶瓷材料具有很好的化學穩定性，但是穩定性是相對的，在某些環境中使用時，陶瓷材料仍然會發生腐蝕。例如，當陶瓷微濾膜載體在酸堿性環境中使用時會被腐蝕，導致陶瓷膜的微觀結構和性能發生改變，降低了分離效率、縮短了陶瓷膜的使用壽命，增加了使用成本。隨著微濾膜的迅速發展，微濾膜載體越來越受人們的關注，要制得較高質量的微濾膜，必須要有高質量的微濾膜載體。因此，本文在參考相關文獻的基礎上[1-5]，采用干壓成型法，對Al2O3-SiO2-TiO2體系樣品進行燒結性能、抗折強度和耐酸堿腐蝕的研究。

2 實驗部分

2.1 實驗方案及工藝流程

2.1.1實驗方案

本文采用A12O3-SiO2-TiO2體系（配方見表1）進行實驗，其中，SiO2分別采用分析純SiO2和硅溶膠引入。為使SiO2、TiO2具有一定的顆粒度，首先將其球磨4 h，過250目篩；然后干燥烘干后稱取一定質量加入a-Al2O3中，用碾缽碾磨均勻；其次將碾磨均勻的粉料在一定溫度和濕度的環境中陳腐放置24 h；再將粉料干壓成型后，放進烘箱中進行干燥；最后將干燥好的試條放入高溫電爐中，燒成溫度分別為1350 ℃、1400 ℃、1450 ℃，分別保溫2 h，自然冷卻后出爐，即可得到試樣。

2.1.2工藝流程

陶瓷微濾膜載體干壓成型工藝流程如圖1所示。

2.2 陶瓷微濾膜載體的性能檢測

經過不同溫度燒成得到的試樣，分別對其吸水率、氣孔率、抗折強度，以及在不同pH值的耐酸堿性等性能進行檢測和分析。

3 結果分析與討論

3.1 A12O3-SiO2-TiO2體系載體燒結性能

A12O3-SiO2-TiO2體系載體的吸水率與燒結溫度的關系如圖2所示。A12O3-SiO2-TiO2體系載體的氣孔率與燒結溫度的關系如圖3所示。

由圖2和圖3所示，隨著燒結溫度的提高，試樣的吸水率和氣孔率都下降，在1400 ℃和1450 ℃燒成溫度下，Al2O3-硅溶膠-TiO2試樣的吸水率和氣孔率都比Al2O3-SiO2（粉末）-TiO2的吸水率和氣孔率稍大。原因是硅溶膠比SiO2粉粒徑小，粒子間形成硅氧結合，硅溶膠較SiO2粉末具有更好的穩定性，防止膠粒團聚，形成穩定均勻的孔道。而SiO2粉末與Al2O3粉末和TiO2粉末在高溫下熔融形成了一定量的液相，粒子牢固地相互粘附在一起，顆粒之間堆積得更緊密，孔道不夠均勻，導致吸水率及氣孔率更小。

3.2 A12O3-SiO2-TiO2體系載體抗折強度

A12O3-SiO2-TiO2體系載體的抗折強度與燒結溫度的關系如圖4所示。

圖4結果顯示，隨著試樣燒成溫度的提高，試樣的抗折強度呈明顯提高趨勢，其原因為氣孔率的下降。在相同燒成溫度下，Al2O3-硅溶膠-TiO2試樣力學性能均稍高于Al2O3-SiO2（粉末）-TiO2試樣，這是因為硅溶膠更容易使添加劑TiO2與基料氧化鋁發生固溶反應，Ti4+置換Al3+，同時 Al2O3晶格畸變，晶格缺陷增多，晶格活化增強，使得氧化鋁晶粒發育得更完整和均勻，試樣的力學性能得到了明顯提高。因此，在相同燒成溫度下Al2O3-硅溶膠-TiO2試樣力學性能均稍高于Al2O3-SiO2（粉末）-TiO2試樣。

3.3 A12O3-SiO2-TiO2體系載體載體耐酸堿腐蝕性能

測試各個溫度下燒成試樣在不同pH值的耐酸堿腐蝕性能，結果如圖5所示。

由圖5可知，試樣經過1350 ℃、1400 ℃、1450 ℃的高溫燒成，隨著酸堿濃度的升高，試樣的腐蝕率在增加。Al2O3-硅溶膠-TiO2試樣的腐蝕率低于A12O3-SiO2-TiO2試樣，在1400 ℃燒成溫度，Al2O3-硅溶膠-TiO2試樣耐酸性能最佳，在pH值為1-5的酸性條件下，其腐蝕率幾乎為零。因為Al2O3-硅溶膠-TiO2的吸水率和氣孔率比A12O3-SiO2-TiO2的吸水率和氣孔率大，粒徑間容易形成硅氧結合形成耐酸堿的物質。

4 結論

1） 通過對比三個燒成溫度試樣的性能，得出最佳燒成溫度為1400 ℃。

2） 通過對比實驗，得出結論：Al2O3-硅溶膠-TiO2陶瓷微濾膜載體樣品的耐酸堿性比A12O3-SiO2-TiO2樣品好。

參考文獻

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