一种高孔隙率氧化铝陶瓷过滤器的制备方法.pdf

一种高孔隙率氧化铝陶瓷过滤器的制备方法，包括氧化铝复合粉料及氧化铝陶瓷浆料的制备、浆料的冷冻成型、冷冻坯体的升华干燥及干燥坯体的烧结。将可溶性铝盐、钛盐、镁盐、钇盐、镧盐、铈盐分别溶于去离子水中，将上述溶液中的一种或几种与氨水溶液并流形成混合溶液并沉淀，经真空抽滤、去离子水清洗、烘干、煅烧后得到氧化铝复合粉体。将叔丁醇溶剂、分散剂、粘结剂混合均匀制备预混液，将氧化铝复合粉体与预混液进行恒温球磨，真空除气，配制悬浮浆料。将浆料在低于溶剂凝固的温度下冷冻成型。成型后的坯体进行升华干燥得到多孔坯体。坯体经低温排烧、高温烧结后得到氧化铝陶瓷过滤器。整个过程无需任何造孔剂，无污染，是一种可以制备定向、高孔隙率和高强度陶瓷过滤器的理想方法。

权利要求书
1.  一种高孔隙率氧化铝陶瓷过滤器的制备方法，该方法包括氧化铝 复合粉料及氧化铝陶瓷浆料的制备、浆料的冷冻成型、冷冻坯体的升华干 燥及干燥坯体的烧结。

2.  如权利要求1所述的高孔隙率氧化铝陶瓷过滤器的制备方法，所 述的氧化铝复合粉料制备包括下述步骤:
①将可溶性的铝盐、镁盐、钛盐、钇盐、镧盐、铈盐分别溶于去离子 水中，在常压、温度70-75℃条件下，将上述溶液中的一种或几种与氨水 溶液滴加并流形成混合液，控制氨水溶液的流量，使混合溶液的PH在 8.5-9之间，直至溶液滴加完成;
②将上述混合物溶液进行真空抽滤，去离子水清洗，将沉淀物于100℃ 烘干；
③将干燥的混合物在1100-1300℃煅烧后，经粉碎、过筛得氧化铝复 合粉料。

3.  如权利要求1所述的高孔隙率氧化铝陶瓷过滤器的制备方法，所 述的氧化铝陶瓷浆料的制备包括下述步骤:
①预混液的制备：将叔丁醇溶剂、分散剂、粘结剂按重量份额100： 0.1-5：0.1-5的比例，在35℃恒温水浴中进行混合，制备预混液；
②将氧化铝粉料与预混液按重量份额100：20-360的比例进行恒温球 磨，球磨温度40℃，时间2h，配制浆料；
③真空除泡。将混合均匀的浆料，在真空条件下去除浆料中的气泡。

4.  如权利要求3所述的高孔隙率氧化铝陶瓷过滤器的制备方法，所 述粘结剂为乙基纤维素、聚乙烯缩丁醛PVB、阿拉伯树胶中的一种或几种； 所述分散剂为可溶于醇的聚乙二醇PEG或柠檬酸。

5.  如权利要求1所述的高孔隙率氧化铝陶瓷过滤器的制备方法，所 述的浆料的冷冻成型包括下述步骤:
将聚乙烯模具放置于冷冻装置上1-5min后，将制备好的浆料倒入模 具中进行冷冻成型，模具底部温度0℃以下，模具顶部温度为室温，冷冻 时间5min-2h，将冷冻成型的坯体于-20℃条件下冷冻1-6h后脱模。

6.  如权利要求1所述的高孔隙率氧化铝陶瓷过滤器的制备方法，所 述的冷冻坯体的升华干燥步骤是将脱模后的坯体放置于真空冷冻干燥机 中，进行升华干燥,真空度≤150Pa，温度为室温，时间8-48h。

7.  如权利要求1所述的高孔隙率氧化铝陶瓷过滤器的制备方法，所 述的干燥坯体的烧结包括下述步骤:
①低温排烧：升华干燥后的坯体在马弗炉中以0.5-2℃/min的升温速 率至600℃、保温30min-6h进行排烧，去除坯体中的叔丁醇溶剂及其他有 机物，然后升温至1200℃并保温2-8h，使坯体具备一定的强度，避免在 操作过程中开裂；
②高温烧结：将步骤①制得的坯体放入高温马弗炉内，以2-10℃/min 升温至1350-1550℃保温2-8h，然后随炉冷却，得到氧化铝陶瓷过滤器。

8.  如权利要求1所述的高孔隙率氧化铝陶瓷过滤器的制备方法，该 方法采用如下具体步骤：
（1）高性能氧化铝复合粉料的制备
①将200g分析纯的AlCl3·6H2O溶于1L去离子水中制得溶液A1，将 8g分析纯的Mg(NO3)2·6H2O溶于100ml去离子水制得溶液B1，将5g分析 纯的La(NO3)3·6H2O溶于100m去离子水中制得溶液E1，溶度为25-28%的 氨水溶液为G1，在常压、温度70-75℃条件下，将A1、B1、E1溶液滴加 并流形成混合液，控制G1溶液的流量，使混合溶液的PH在8.5-9之间， 直至A1、B1、E1溶液滴加完成；
②将上述混合物溶液进行真空抽滤，去离子水清洗，将沉淀物于100℃ 烘干；
③将干燥的混合物在1200℃煅烧后，经粉碎、过筛得氧化铝复合粉料；
（2）氧化铝陶瓷浆料的制备
①预混液的制备：将叔丁醇溶剂、柠檬酸、聚乙烯缩丁醛按100:1.5:1 的比例，在35℃恒温水浴中进行混合，制备预混液；
②将氧化铝复合粉料与预混液按1：1的比例进行恒温球磨，球磨温 度40℃，时间2h，配制浆料；
③真空除泡。将混合均匀的浆料，在真空条件下去除浆料中的气泡；
（3）浆料的冷冻成型
将聚乙烯模具放置于自制冷冻装置上2min后，将制备好的浆料倒入 模具中进行冷冻成型，模具底部温度0℃，模具顶部温度为15-20℃，冷 冻时间30min，将冷冻成型的坯体于-20℃条件下冷冻2h后脱模；
（4）冷冻坯体的升华干燥
将脱模后的坯体放置于真空冷冻干燥机中，进行升华干燥，真空度≤ 150Pa，温度为室温，时间24h；
（5）干燥坯体的烧结
①低温排烧：升华干燥后的坯体在马弗炉中以1℃/min的升温速率至 600℃、保温2h进行排烧，去除坯体中的叔丁醇溶剂及其他有机物，然后 升温至1200℃并保温2h，避免在操作过程中开裂；
②高温烧结：将坯体放入高温马弗炉内，以2℃/min升温至1350℃保 温4h，然后随炉冷却，得到氧化铝陶瓷过滤器。

9.  如权利要求1所述的高孔隙率氧化铝陶瓷过滤器的制备方法，该 方法采用如下具体步骤：
（1）高性能氧化铝复合粉料的制备
①将180g分析纯的AlCl3·6H2O溶于1L去离子水中制得溶液A2，将 6g分析纯的Mg(NO3)2·6H2O溶于100ml去离子水中制得溶液B2，将4g分 析纯的TiCl4溶于200ml去离子水制得溶液C2，溶度为25-28%的氨水溶液 为G2，在常压、温度70-75℃条件下，将A2、B2、C2溶液滴加并流形成 混合液，控制G2溶液的流量，使混合溶液的PH在8.5-9之间，直至A2、 B2、C2溶液滴加完成；
②将上述混合物溶液进行真空抽滤，去离子水清洗，将沉淀物于100℃ 烘干；
③将干燥的混合物在1300℃煅烧后，经粉碎、过筛得氧化铝复合粉料；
（2）氧化铝陶瓷浆料的制备
①预混液的制备：将叔丁醇溶剂、柠檬酸、聚乙烯缩丁醛按100:1:0.6 的比例，在35℃恒温水浴中进行混合，制备预混液；
②将氧化铝复合粉料与预混液按90：100的比例进行恒温球磨，球磨 温度40℃，时间2h，配制浆料；
③真空除泡，将混合均匀的浆料，在真空条件下去除浆料中的气泡。
（3）浆料的冷冻成型
将聚乙烯模具放置于自制冷冻装置上2min后，将制备好的浆料倒入 模具中进行冷冻成型，模具底部温度-5℃，模具顶部温度为15-20℃，冷 冻时间30min，将冷冻成型的坯体于-20℃条件下冷冻2h后脱模。
（4）冷冻坯体的升华干燥
将脱模后的坯体放置于真空冷冻干燥机中，进行升华干燥。真空度≤ 150Pa，温度为室温，时间18h；
（5）干燥坯体的烧结
①低温排烧：升华干燥后的坯体在马弗炉中以1℃/min的升温速率至 600℃、保温1h进行排烧，去除坯体中的叔丁醇溶剂及其他有机物，然后 升温至1200℃并保温2h，避免在操作过程中开裂；
②高温烧结：将坯体放入高温马弗炉内，以2℃/min升温至1450℃保 温4h，然后随炉冷却，得到氧化铝陶瓷过滤器。

10.  如权利要求1所述的高孔隙率氧化铝陶瓷过滤器的制备方法，该 方法采用如下具体步骤：
（1）高性能氧化铝复合粉料的制备
①将150g分析纯的AlCl3·6H2O溶于1L去离子水中制得溶液A3，将 5g分析纯的Mg(NO3)2·6H2O溶于100ml去离子水制得溶液B3，将4分析纯 的TiCl4溶于100ml去离子水制得溶液C3，将8g分析纯的Ce(NO3)3·6H2O 溶于100ml去离子水中制得溶液F3，溶度为25-28%的氨水溶液为G3，在 常压、温度70-75℃条件下，上述溶液滴加并流形成混合液，控制G3溶液 的流量，使混合溶液的PH在8.5-9之间，直至A3、B3、C3、F3溶液滴加 完成；
②将上述混合物溶液进行真空抽滤，去离子水清洗，将沉淀物于100℃ 烘干；
③将干燥的混合物在1250℃煅烧后，经粉碎、过筛得氧化铝复合粉料；
（2）氧化铝陶瓷浆料的制备
①预混液的制备：将叔丁醇溶剂、柠檬酸、聚乙烯缩丁醛按 100:2.4:1.6的比例，在35℃恒温水浴中进行混合，制备预混液；
②将氧化铝复合粉料与预混液按1.2:1的比例进行恒温球磨，球磨温 度40℃，时间2h，配制浆料；
③真空除泡，将混合均匀的浆料，在真空条件下去除浆料中的气泡；
（3）浆料的冷冻成型
将聚乙烯模具放置于自制冷冻装置上5min后，将制备好的浆料倒入 模具中进行冷冻成型，模具底部温度-2℃以下，模具顶部温度为15-20℃， 冷冻时间40min；将冷冻成型的坯体于-20℃条件下冷冻4h后脱模；
（4）冷冻坯体的升华干燥
将脱模后的坯体放置于真空冷冻干燥机中，进行升华干燥，真空度≤ 150Pa，温度为室温，时间24h；
（5）干燥坯体的烧结
①低温排烧：升华干燥后的坯体在马弗炉中以1℃/min的升温速率至 600℃、保温4h进行排烧，去除坯体中的叔丁醇溶剂及其他有机物，然后 升温至1200℃并保温2h，避免在操作过程中开裂；
②高温烧结：将坯体放入高温马弗炉内，以2℃/min升温至1400℃保 温4h，然后随炉冷却，得到氧化铝陶瓷过滤器。

说明书一种高孔隙率氧化铝陶瓷过滤器的制备方法
技术领域
本发明涉及一种共沉淀-冷冻升华工艺制备氧化铝陶瓷过滤器的方法， 更确切地说涉及以共沉淀粉体合成方法结合冷冻升华成型工艺制备高孔 隙率氧化铝陶瓷过滤器的方法。
背景技术
冶金、机械、化工、电力等行业的各种工业炉窑所排放出来的高温含 尘气体不仅温度高（500～1200℃），而且含有大量的粉尘（5～30μm） 和腐蚀还原性气体，是造成环境污染的主要因素之一。高温条件下，由于 含尘气体粘滞力有较大变化，湿度大幅下降，细颗粒凝聚现象大为降低， 所以对微粒的分离有较高难度。布袋式除尘器不能承受含尘气体的高温， 湿式除尘使其热能又不能得到综合利用；静电除尘又存在一次投资高，占 地面积大和绝缘等方面的问题。目前，我国高温工业含尘气体的处理方法 大多是通过水冷凝，将高温废气降至200℃左右，再用布袋除尘器除尘， 这不仅增加了冷凝设备的投资和运行费用，也使大量的热能流失。因此， 高温含尘气体陶瓷过滤器的开发与利用具有较好的前景。
随着多孔陶瓷研究工作的不断深入，其制备技术也不断丰富、完善。 多孔陶瓷的制备技术直接决定了陶瓷的结构和使用性能。常见的有挤压成 型法、发泡法、添加造孔剂法、溶胶-凝胶法、有机泡沫浸渍法等。挤压 成型法制备的多孔陶瓷，其孔形状、孔隙尺寸分布均匀，但不适于制备孔 隙尺寸小于1mm的多孔陶瓷；添加造孔剂法制备多孔陶瓷，其气孔分布均 匀性差，不适合制备高孔隙率的制品；发泡法添加有机或无机造孔剂，通 过物理或化学反应产生挥发性气体而产生泡沫，经干燥和烧结后制成多孔 陶瓷，不适于制备具有贯通孔隙结构的制品；有机泡沫浸渍法制备多孔陶 瓷，其孔尺寸主要取决于有机泡沫体的孔尺寸，其制品不能实现微小颗粒 的过滤；溶胶-凝胶法通过相变或化学反应获得孔隙，孔隙尺寸为纳米级， 孔隙率较低。由于上述工艺自身的限制，所获得的孔隙尺寸及孔隙率被局 限在一定范围内，难以制备微米级孔隙尺寸、高孔隙率、高强度的多孔陶 瓷过滤器。
发明内容
针对上述技术现状，本发明的目的是利用共沉淀-冷冻升华工艺制备 高孔隙率、孔隙定向排列的氧化铝陶瓷过滤器，以满足高温含尘气体过滤 器对孔隙率、孔隙尺寸及强度的要求。本发明制备氧化铝陶瓷过滤器的方 法，包括氧化铝复合粉料的制备、氧化铝陶瓷浆料的制备、浆料的冷冻成 型、冷冻坯体的升华干燥及干燥坯体的烧结。具体步骤如下：
（1）高性能氧化铝复合粉料的制备
①将可溶性的铝盐、镁盐、钛盐、钇盐、镧盐、铈盐分别溶于去离子 水中，在常压、温度70-75℃条件下，将上述溶液中的一种或几种与氨水 溶液滴加并流形成混合液，控制氨水溶液的流量，使混合溶液的PH在 8.5-9之间，直至溶液滴加完成。
②将上述混合物溶液进行真空抽滤，去离子水清洗，将沉淀物于100℃ 烘干；
③将干燥的混合物在1100-1300℃煅烧后，经粉碎、过筛得氧化铝复 合粉料。
（2）氧化铝陶瓷浆料的制备
①预混液的制备：将叔丁醇溶剂、分散剂、粘结剂按重量份额100： 0.1-5：0.1-5的比例，在35℃恒温水浴中进行混合，制备预混液。
②将氧化铝粉料与预混液按重量份额100：20-360的比例进行恒温球 磨，球磨温度40℃，时间2h，配制浆料。
③真空除泡。将混合均匀的浆料，在真空条件下去除浆料中的气泡。
（3）浆料的冷冻成型
将聚乙烯模具放置于冷冻装置上1-5min后，将制备好的浆料倒入模 具中进行冷冻成型，模具底部温度0℃以下，模具顶部温度为室温，冷冻 时间5min-2h。
将冷冻成型的坯体于-20℃条件下冷冻1-6h后脱模。
（4）冷冻坯体的升华干燥
将脱模后的坯体放置于真空冷冻干燥机中，进行升华干燥。真空度≤ 150Pa，温度为室温，时间8-48h。
（5）干燥坯体的烧结。
①低温排烧：升华干燥后的坯体在马弗炉中以0.5-2℃/min的升温速 率至600℃、保温30min-6h进行排烧，去除坯体中的叔丁醇溶剂及其他有 机物，然后升温至1200℃并保温2-8h，使坯体具备一定的强度，避免在 操作过程中开裂。
②高温烧结：将步骤①制得的坯体放入高温马弗炉内，以2-10℃/min 升温至1350-1550℃保温2-8h，然后随炉冷却，得到氧化铝陶瓷过滤器。
所述粘结剂为乙基纤维素、聚乙烯缩丁醛PVB、阿拉伯树胶中的一种 或几种。
所述分散剂为可溶于醇的聚乙二醇PEG或柠檬酸。
使用本发明提供方法制备的氧化铝陶瓷过滤器，具有较高的孔隙率和 定向贯通的孔隙结构，开孔孔隙率40-90%之间，孔隙尺寸1-200微米，孔 隙高度定向排列，强度0.5-67.5MPa。
综上所述，本发明具有以下优点：
（1）使用共沉淀-冷冻升华工艺便于制备高孔隙率、孔隙定向排列的微米 级孔隙的多孔陶瓷；
（2）高性能氧化铝复合粉体，可以降低氧化铝的烧结温度；
（3）本发明制备的陶瓷过滤器孔隙率40-90%，孔径尺寸1-200微米，孔 径大小及孔隙率易于控制；
（4）本发明制备的陶瓷最高使用温度可达1200度以上；
（5）本发明制备的氧化铝陶瓷过滤器，多次使用后，可通过简单的反吹 工艺处理而重复使用。
具体实施方式
实施例1
（1）高性能氧化铝复合粉料的制备，
①将200g分析纯的AlCl3·6H2O溶于1L去离子水中制得溶液A1，将 8g分析纯的Mg(NO3)2·6H2O溶于100ml去离子水制得溶液B1，将5g分析 纯的La(NO3)3·6H2O溶于100m去离子水中制得溶液E1，溶度为25-28%的 氨水溶液为G1，在常压、温度70-75℃条件下，将A1、B1、E1溶液滴加 并流形成混合液，控制G1溶液的流量，使混合溶液的PH在8.5-9之间， 直至A1、B1、E1溶液滴加完成。
②将上述混合物溶液进行真空抽滤，去离子水清洗，将沉淀物于100℃ 烘干；
③将干燥的混合物在1200℃煅烧后，经粉碎、过筛得氧化铝复合粉料。
（2）氧化铝陶瓷浆料的制备
①预混液的制备：将叔丁醇溶剂、柠檬酸、聚乙烯缩丁醛按100:1.5:1 的比例，在35℃恒温水浴中进行混合，制备预混液。
②将氧化铝复合粉料与预混液按1：1的比例进行恒温球磨，球磨温 度40℃，时间2h，配制浆料。
③真空除泡。将混合均匀的浆料，在真空条件下去除浆料中的气泡。
（3）浆料的冷冻成型
将聚乙烯模具放置于自制冷冻装置上2min后，将制备好的浆料倒入 模具中进行冷冻成型，模具底部温度0℃，模具顶部温度为15-20℃，冷 冻时间30min。
将冷冻成型的坯体于-20℃条件下冷冻2h后脱模。
（4）冷冻坯体的升华干燥
将脱模后的坯体放置于真空冷冻干燥机中，进行升华干燥。真空度≤ 150Pa，温度为室温，时间24h。
（5）干燥坯体的烧结。
①低温排烧：升华干燥后的坯体在马弗炉中以1℃/min的升温速率至 600℃、保温2h进行排烧，去除坯体中的叔丁醇溶剂及其他有机物，然后 升温至1200℃并保温2h，使坯体具备一定的强度，避免在操作过程中开 裂。
②高温烧结：将坯体放入高温马弗炉内，以2℃/min升温至1350℃保 温4h，然后随炉冷却，得到氧化铝陶瓷过滤器。
实施例2
（1）高性能氧化铝复合粉料的制备
①将180g分析纯的AlCl3·6H2O溶于1L去离子水中制得溶液A2，将 6g分析纯的Mg(NO3)2·6H2O溶于100ml去离子水中制得溶液B2，将4g分 析纯的TiCl4溶于200ml去离子水制得溶液C2，溶度为25-28%的氨水溶液 为G2，在常压、温度70-75℃条件下，将A2、B2、C2溶液滴加并流形成 混合液，控制G2溶液的流量，使混合溶液的PH在8.5-9之间，直至A2、 B2、C2溶液滴加完成。
②将上述混合物溶液进行真空抽滤，去离子水清洗，将沉淀物于100℃ 烘干；
③将干燥的混合物在1300℃煅烧后，经粉碎、过筛得氧化铝复合粉料。
（2）氧化铝陶瓷浆料的制备
①预混液的制备：将叔丁醇溶剂、柠檬酸、聚乙烯缩丁醛按100:1:0.6 的比例，在35℃恒温水浴中进行混合，制备预混液。
②将氧化铝复合粉料与预混液按90：100的比例进行恒温球磨，球磨 温度40℃，时间2h，配制浆料。
③真空除泡。将混合均匀的浆料，在真空条件下去除浆料中的气泡。
（3）浆料的冷冻成型
将聚乙烯模具放置于自制冷冻装置上2min后，将制备好的浆料倒入 模具中进行冷冻成型，模具底部温度-5℃，模具顶部温度为15-20℃，冷 冻时间30min。
将冷冻成型的坯体于-20℃条件下冷冻2h后脱模。
（4）冷冻坯体的升华干燥
将脱模后的坯体放置于真空冷冻干燥机中，进行升华干燥。真空度≤ 150Pa，温度为室温，时间18h。
（5）干燥坯体的烧结。
①低温排烧：升华干燥后的坯体在马弗炉中以1℃/min的升温速率至 600℃、保温1h进行排烧，去除坯体中的叔丁醇溶剂及其他有机物，然后 升温至1200℃并保温2h，使坯体具备一定的强度，避免在操作过程中开 裂。
②高温烧结：将坯体放入高温马弗炉内，以2℃/min升温至1450℃保 温4h，然后随炉冷却，得到氧化铝陶瓷过滤器。
实施例3
（1）高性能氧化铝复合粉料的制备
①将150g分析纯的AlCl3·6H2O溶于1L去离子水中制得溶液A3，将 5g分析纯的Mg(NO3)2·6H2O溶于100ml去离子水制得溶液B3，将4分析纯 的TiCl4溶于100ml去离子水制得溶液C3，将8g分析纯的Ce(NO3)3·6H2O 溶于100ml去离子水中制得溶液F3，溶度为25-28%的氨水溶液为G3，在 常压、温度70-75℃条件下，上述溶液滴加并流形成混合液，控制G3溶液 的流量，使混合溶液的PH在8.5-9之间，直至A3、B3、C3、F3溶液滴加 完成。
②将上述混合物溶液进行真空抽滤，去离子水清洗，将沉淀物于100℃ 烘干；
③将干燥的混合物在1250℃煅烧后，经粉碎、过筛得氧化铝复合粉料。
（2）氧化铝陶瓷浆料的制备
①预混液的制备：将叔丁醇溶剂、柠檬酸、聚乙烯缩丁醛按 100:2.4:1.6的比例，在35℃恒温水浴中进行混合，制备预混液。
②将氧化铝复合粉料与预混液按1.2:1的比例进行恒温球磨，球磨温度 40℃，时间2h，配制浆料。
③真空除泡。将混合均匀的浆料，在真空条件下去除浆料中的气泡。
（3）浆料的冷冻成型
将聚乙烯模具放置于自制冷冻装置上5min后，将制备好的浆料倒入 模具中进行冷冻成型，模具底部温度-2℃以下，模具顶部温度为15-20℃， 冷冻时间40min；
将冷冻成型的坯体于-20℃条件下冷冻4h后脱模。
（4）冷冻坯体的升华干燥
将脱模后的坯体放置于真空冷冻干燥机中，进行升华干燥。真空度≤ 150Pa，温度为室温，时间24h。
（5）干燥坯体的烧结。
①低温排烧：升华干燥后的坯体在马弗炉中以1℃/min的升温速率至 600℃、保温4h进行排烧，去除坯体中的叔丁醇溶剂及其他有机物，然后 升温至1200℃并保温2h，使坯体具备一定的强度，避免在操作过程中开 裂。
②高温烧结：将坯体放入高温马弗炉内，以2℃/min升温至1400℃保 温4h，然后随炉冷却，得到氧化铝陶瓷过滤器。