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薄膜的形态学特性证明它是由多孔氧化锆和氧化铝形成的薄膜结构。

水银孔隙率分析方法的结果显示微滤用平均1.8µ

m的多滤孔薄膜，而超滤顶层用平均尺0.01-0.03µ

m大小的滤孔，后面用平均尺寸1.8µ

m的滤孔。

依靠制造工艺的应用，制造具有分离水油乳剂性能的超滤和微滤薄膜是很有可能的。

关键词：

陶瓷膜；

均压；

蔗糖；

超滤；

微滤

1.介绍：

石化、冶金和食品制造业会产生很多以油/水或水/油乳状液形式的废弃液体。

薄膜技术可能是乳状液分离的一个廉价、有效的替代方法；

因而已经有人发表了几篇阐述通过陶瓷膜使油水乳状液分离的论文[1-3]。

由于陶瓷膜具有诸多的优势，用陶瓷薄膜代替聚合薄膜将产生持续的利益，比如在高温高压下的稳定性、很好的化学的稳定性、高机械强度、寿命长和很好的去污性能。

氧化铝薄膜已经广泛地被应用，但最近研究机构考虑使用像氧化锆、二氧化钛和矽石其它多孔薄膜材料。

为了实现膜技术的商业运用，研究机构应该在制造业技术、费用，微观结构特性、过滤效率及其他方面进行大量的研究。

在这种意义上，许多制备陶瓷膜的工艺，譬如溶胶凝胶法、逆相法、挤出和粉浆烧铸法已经在最近数年中得到发展[4-7]。

文献中也记载了其他方法。

比如说，Cui等其他人[8]通过原位水热合成法，在α-铝管内制备沸石\陶瓷微滤薄膜来治理被油污染的水。

Zhang等人[9]用固相烧结法制备掺有二氧化钛的氧化铝复合微滤膜，这种膜用于分离油性废水。

Zhou等人[10]还制备一种由平面多孔钛铝合金构成的二氧化钛薄膜，这种合金是通过电泳沉积和浸涂过程来合成的。

等静压也运用于制造汽车零件、电和热绝缘体、镀膜材料、组织工程学中陶瓷支架[11]和薄膜[12,13]。

然而,目前的研究均未考虑等静压方法来制造分离油水乳状液的微滤、超滤陶瓷膜。

本文主要介绍等静压方法的应用。

等静压作为一种成形方法，可获得能够实现水油分离和不支持水油分离的超、微滤陶瓷膜。

由于相比其他方法来说，等静压方法具有诸如高质量、陶瓷单元的均匀性好、能制成多层结构、设计中能灵活应用和节省材料（对研究而言）等几项优势，因而选择此方法。

要制造像过滤器或者薄膜一类的陶瓷材料,要在悬浮液或浆体（陶瓷颗粒的原料）中混入致孔剂。

像蔗糖一类的致孔剂，在烧结生成微孔过程中分解掉了。

此外，蔗糖能够产生特定体积和大小的微孔（敞开或闭合），这直接影响膜的多孔性能和渗透率。

因此，像致孔剂的研磨时间和烧结温度的这些因素是极端重要的[14]。

成功应用陶瓷膜的关键在于膜的生产是否能提供较大范围变化的渗透性和高选择性。

因此，在薄膜的制备方面的关于微孔大小和分布控制的研究已经完成。

这些因素影响薄膜的选择性并决定其应用。

为生产超滤、微滤陶瓷膜，应该控制生产过程以便使微滤膜的孔径处于0.1-10µ

m，使超滤膜的孔径处于0.01-0.1µ

m范围内。

在这方面，开发一种能够控制微孔大小和孔隙性的方法是很有必要的，这样薄膜才能适合特定的应用。

本文描述了超滤微滤陶瓷膜的制造过程。

这一过程运用等静压法作为成形方法并用蔗糖作为致孔剂。

这一制造方法被认为能生产出薄膜应用中所需要的理想特性。

2.材料和方法

本文建议使用蔗糖作为致孔剂、采用等静压作为成型方法来制造微滤、超滤陶瓷膜管。

由于蔗糖的一系列优点，所以将其作为致孔剂。

这些优点包括：

在花费较少的情况下能得到较高纯度；

在水的浸滤下能除去部分杂质而通过热降解能完全除去杂质；

无毒；

经过加压后能稍微改变晶体的结构。

2.1准备制备陶瓷膜的泥浆

用高温烧结氧化铝A1000SG（安迈铝业公司）和四氧氧化锆TOSOH－3Y（日本东曹公司）作陶瓷薄膜的结构成份，两者的平均直径分别是0.5µ

m和0.3µ

m，各自的表面积是8.4m2/g和7.7m2/g。

表1描述了商业氧化铝的成分。

含杂质0.08%的蔗糖在研究中用作致孔剂。

粉末状聚乙烯醇缩丁醛树脂（PVB）的密度为1.1g/cm³

，含丁缩醛约80%。

密度为0.782g/mL的异丙醇和0.2%的水分别用作陶瓷黏合剂和黏合剂溶剂。

表1商用氧化铝的构成

首先，把蔗糖粒子用泥浆和雌蕊浸软，然后用一个筛子系统（筛孔径为177-300µ

m和177-600µ

m）进行分类。

其次，将PVB和异丙醇放入一个容积为400毫升的聚乙烯广口瓶中，瓶内装有900克的陶瓷研磨元素（圆柱形颗粒的氧化铝通常占1/2），然后研磨2小时。

然后，将氧化铝或氧化锆陶瓷粉和筛分好的蔗糖加入广口瓶中加以研磨（分别研磨2和至20分钟）。

然后调匀混合物，使之成为含30%体积固体（蔗糖和氧化铝或氧化锆），含70%体积液体（乙醇和聚乙烯醇缩丁醛）的悬浮液。

表2记录了每个原件所需的陶瓷泥浆体积。

表2制备好的陶瓷泥浆构成

稍后，在热气流枪的作用下（温度在80℃左右以免蔗糖燃烧），接着通过孔径为250.0µ

m的筛子后形成陶瓷-蔗糖聚合颗粒。

随后将陶瓷颗粒放在80℃的烘箱内烘烤2小时。

PVBB-98玻璃转换温度是在72-78℃。

当温度达到约80℃时，其聚合物可塑性将会提高，同时降低表面应力集中，有助于陶瓷膜表面抛光。

此外，图1中的热解温度分析法证明由于PVB的热降解温度始于212℃，所以它在80℃时不会降解。

图1一定温度范围内聚乙烯醇缩丁醛质量减少的百分比

2.2膜的制备

运用陶瓷处理获得两种类型的膜，即多孔的和支承的。

图2表示了管状陶瓷的薄膜的尺寸。

图2陶瓷膜的设计和各自形状

（a）多孔薄膜（b）支承薄膜

为了制备多孔氧化锆和氧化铝薄膜，等静压的模子充满陶瓷颗粒或氧化锆和氧化铝的细致颗粒，然后根据图3加压。

图3获得多孔氧化锆和多孔氧化铝的材料和方法

在制造支承薄膜时（氧化锆首层位于氧化锆层或氧化铝层上），核心部位首先用氧化锆泥浆（在试管1中）浸润，随后将浸润在试管中的部分拿出来用热气流枪蒸干溶剂。

这个过程要操作两遍使得到含氧化锆较少的核心部分表面（即选择层）。

最后，将核心部分插入充满氧化铝或氧化锆粉末（见表2）的铸模中，形成膜的支承能力，接着施加100MPa的等静压。

这样，就同时产生了首层和支撑层，换而言之，同样的压力下它们应变一致。

图4描述了上述过程。

图4支承薄膜的制造程序

在下一个阶段中，对膜系统（支撑层和氧化锆首层）采用热处理。

将膜置于耐熔炼的容器中并覆盖上树薯淀粉（以吸收融化的蔗糖）。

将它们放在炉温处于100℃-160℃的炉中灼烧。

然后为去除蔗糖，每24小时温度就会上升20℃。

这样由于蔗糖的热扩散就减少了管状薄膜在烧结过程中断裂的危险。

在此以后，将管状薄膜置于一个电子控制熔炉内，根据图5，用固定的方法步骤烧结。

最后将炉子敞开冷却到室温。

图5陶瓷薄膜的烧结过程

用水浸法（阿基梅德斯原则）可以测量薄膜的表观密度和多孔性，这样就可以看出陶瓷薄膜的结构特点。

用水银压入法和扫描电镜来进行孔隙率测定。

水浸法中要用四个样品，其他的分析中每种薄膜要用两个。

孔隙率分析法用到了水银微孔模型PORESIZER932（测微器具公司生产）。

浸润测试是根据美国材料试验协会（ASTM）的标准[16]进行的。

用牛津大学的探测器，通过LEO1430扫描电子显微镜，在20kv电子束的操作下，对薄膜进行形态学分析。

3.结果和讨论

3.1陶瓷薄膜的结构特点

根据筛分尺寸大小和研磨时间在多孔氧化铝薄膜上生成不同大小的微孔。

图6表示了不同蔗糖研磨时间下薄膜微孔大小的分布。

图6（a）蔗糖不同研磨时间下多孔氧化铝的孔径分布

（b）氧化锆薄膜的孔径分布

依照图6，孔隙率法分析显示在制造氧化铝薄膜的过程中蔗糖研磨时间越长微孔直径的分布越均匀。

另一方面，比较长的研磨时间会造成比较小的平均孔径。

因此，蔗糖的研磨时间可能影响氧化铝薄膜微孔的平均孔径，同时影响薄膜的选择性和渗透性[17].根据图6，制造方法中利用具有相同平均孔径（1.8µ

m）但是不同微孔分布的的氧化锆和氧化铝薄膜成品。

因此,薄膜的材料也影响它的多孔结构。

图7呈现了在1500℃下烧结后薄膜（非对称氧化锆薄膜和氧化锆-氧化铝合成薄膜）的多孔分布。

图7水银浸入法氧化锆薄膜的孔隙率分析

（a）不对称氧化锆薄膜（b）合成薄膜

研究发现在非对称氧化锆薄膜（图7）和氧化锆-氧化铝合成薄膜（图7）的活性层上的多孔平均直径为0.015µ

m和0.03µ

m。

研究发现，大于1µ

m平均孔径的微孔出现在了支撑薄膜上，然而在制造过程中，直径为0.1µ

m的微孔出现在内部，即它们不是致孔剂产生的。

因为用不同的材料（氧化锆和氧化铝）作为结构材料，孔隙率分析法显示这种制造方法生产了不同结构（不同微孔分布）的支撑氧化锆薄膜。

此外，控制平均孔径大小在0.01µ

m和0.03µ

m，这样这种方法也能制造具有超滤性能的薄膜（氧化锆活性层）。

（如图7所示）

对陶瓷膜应用了水浸测试法。

这些薄膜所得到的结果列于表3中。

表3多孔支承薄膜（或非支承薄膜）浸入测试的结果

表3显示，采用50%体积的致孔剂，在蔗糖研磨了2小时20分钟后，氧化铝多孔薄膜上会分别产生39.05%和39.91%的视孔隙率。

由于两个薄膜的烧结温度相同，所以视孔隙率的减少与研磨时间的缩短有直接关系。

数据显示，在结构薄膜层之间，不对称氧化锆薄膜（氧化锆-氧化锆）的视孔隙率较低。

由于氧化锆在烧结过程中的高缩进性，因此在这个结构中只有氧化锆薄膜具有较少的开孔数和较高的密集程度。

在烧结的最后一个阶段中，也就是在1500℃，主要是颗粒的生长，这导致了膜结构中开孔体积的减少和材料密度的增加。

尽管薄膜也呈现出大量的闭气孔，但薄膜（出了多孔氧化锆薄膜外）的总孔隙率高于文献[18]推荐的50%。

通过扫描电镜图片可以分析多孔和支撑薄膜的形态学特点。

图8显示的内容与不同研磨时间下多孔氧化铝薄膜一致与多孔氧化锆薄膜也是一致的。

图8多孔薄膜交错部分的扫描电镜照片（放大500倍）

多孔氧化铝薄膜的制备：

（A）经2小时蔗糖研磨

（B）经20分钟蔗糖研磨

（C）多孔氧化锆薄膜

在薄膜A（经过2小时研磨）中，研磨期间有大颗粒蔗糖减少，这使得微孔更小分布更均匀，这在充满树脂的较黑部分可以观察到（如图8a）。

在图8（a）中，观察到有些微孔内部没有充满松香（白色箭头处）。

图8也表示从从图A到图B，研磨时间减少了，这使得陶瓷结构中分布不均匀的大孔数量增加（图8b）。

根据文献[19]，当结构中颗粒小部分体积（认为是球形的）高于22%，渗透渠道就像网一样连通起来。

因此，在薄膜B中（孔隙率有33.91%），与大孔口相比孔隙率作为影响透水介质的主要因素。

图8（c）显示微孔（较黑暗的区域）充满树脂，多孔薄膜的密集区域同氧化锆的含量一致。

由于孔口氧化锆薄膜中出现平均直径在1.8µ

m的频率很高（图6b），所以在薄膜结构中，大孔体积也很明显较大，这同孔隙率测定法的结果一致。

这种薄膜的形态学特征也显示出，由于这种薄膜与其他薄膜相比呈现出较小的表观孔隙率，所以它的结构密集。

下面的扫描电镜图显示了支撑薄膜的形态学特征。

图9（a）和9（b）显示了支撑氧化锆-氧化铝合成薄膜的横断面。

薄膜的结构充满了环氧树脂，随后用砂纸和金刚石研磨膏抛光，以便提高薄膜形态学外观。

图9（a）清楚地显示了多孔的氧化铝支撑层上的氧化锆层（首层），证明了氧化锆-氧化铝合成薄膜的形成。

图9（b）显示了合成薄膜中不对称结构和首层将近40µ

m厚度的放大图片。

图9氧化锆薄膜的扫描电镜照片

（a）氧化锆-氧化铝合成的支承薄膜（b）放大500倍的照片

（c）不对称氧化锆薄膜（d）放大500倍的照片

图9（c）是不对称氧化锆薄膜横断面的扫描电镜图像。

图9（d）代表薄膜的放大图像。

在多孔氧化锆支撑上的氧化锆活性层的厚度大约是50µ

图9（b）和9（d）证明在氧化铝表面和多孔氧化锆支撑层的氧化锆层有较好的粘合性。

4.结尾

因为生产制造过程中用到了蔗糖颗粒作为致孔剂，而蔗糖颗粒能够产生对微滤超滤过程来讲特定孔隙率和特定微孔大小，所以这种制造过程被认为比较新颖。

等静压开始被用来作为一种吸附在氧化锆薄层（氧化锆首层）和氧化铝支撑层的方法，以便获得不对称和合成的薄膜（或者是支承薄膜）。

同其他用来制造支承薄膜的方法相比，等静压方法使通过相同的压力获得首层和支撑层成为可能。

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