无机陶瓷膜的改性及与支撑体结合性研究

论文摘要

本文利用溶胶凝胶法对Al2O3薄膜制备工艺进行改革，研究了不同添加剂对Al2O3薄膜、SiO2薄膜的影响以及与氧化铝支撑体的结合性研究。通过热重分析、红外光谱分析、比表面积分析、原子力显微镜分析、孔隙率测定等对薄膜和与支撑体复合后的薄膜进行了表征，以期得到完整、性能良好的Al2O3和SiO2薄膜。全文内容如下：（1）采用溶胶-凝胶法对Al2O3薄膜的制备工艺进行改革。考察了溶剂中乙醇含量对Al2O3薄膜的影响，得到优化后的条件为：异丙醇铝5.6g，总溶剂含量为66.4mL，水与无水乙醇的体积比为7:1，经过8h回流后可得到稳定性良好、粘度为6.45mPa·s的溶胶，并可制备出平整度较好，孔隙率较高，平均孔径约为20.2659nm的Al2O3薄膜；同时还考察了原料预处理对Al2O3薄膜的影响，研究发现：将异丙醇铝浸泡后，有利于形成大分子溶液来保证醇盐水解在分子均匀的水平上进行，从而使溶胶老化回流时间大大降低为6h。（2）通过PVA（聚乙烯醇）、PEG-300（聚乙二醇300）、PEG-1000（聚乙二醇1000）、 PEG-2000（聚乙二醇2000）、DMF（N，N-二甲基甲酰胺）、MC（甲基纤维素）对Al2O3薄膜的影响研究，发现：从成膜效果、干燥时间和粘度等方面综合考虑，其成膜效果为PVA>PEG-300>PEG-1000>PEG-2000>DMF>MC。利用溶胶凝胶法添加10%（质量分数）PVA后可制备出表面均一平整、有较高的孔隙率，孔径分布较均匀，硬度为2H，平均孔径约50.3714nm的Al2O3薄。（3）烧结对薄膜性能有较大的影响，因此，本文确立Al2O3薄膜的烧结制度为0～100℃，升温速率为0.25℃/min，保温120min;100～170℃，升温速率为0.5℃/min，保温120min;170～400℃，升温速率为0.5℃/min，保温120min;400～800℃，升温速率为1℃/min，保温120min后自然冷却至室温。（4）通过DMF、MC、PVA、PEG-300、PEG-1000、 PEG-2000对SiO2薄膜影响的研究，发现：添加30%（体积分数）DMF能有效防止凝胶开裂，保持凝胶框架完整性，扩大孔径及对薄膜厚度有一定的影响，同时可制备出平均孔半径为7.08nm，孔体积为0.188320cm3/g，比表面积为53.168m2/g的SiO2薄膜；每100ml溶胶中加入0.35g甲基纤维素后可以起到增稠作用，并可以制备出内部结构均匀、表面光滑平整，孔径分布较窄，最几可孔径为1.14nm，小于2nm的孔占总孔96.7%的薄膜；添加15%（质量分数） PVA后，可制备出平整度较好、孔径分布均匀、孔隙率较高，孔形为倒置圆台状，比表面积为281.872m2/g，平均孔半径为2.4nm的薄膜；在溶胶粘度合适和同等干燥条件下，凝胶时间较短，易得到完整的干凝胶膜，成膜效果为PEG-300>PEG-1000>PEG-2000；PEG-300对二氧化硅溶胶有降粘作用，且符合临界胶束浓度规律，其CMC约为6.1610-3L/L；添加15%（质量分数）PEG-300后，可缩小薄膜的孔径和提高薄膜的比表面积及热稳定性，同时可得到比表面积为334.889m2/g，孔容为0.280435cm3/g，平均孔半径为2.36nm，最可几孔半径为1.04nm的SiO2膜。（5）考察了SiO2、Al2O3薄膜与Al2O3支撑体的结合性，研究发现：选取溶胶粘度为5-7mPa·s，提拉速度为1.5-2mm/s，并采用随着涂膜次数增加，粘度依次降低，稳定性良好的溶胶进行涂膜，可得到表面光滑、完整的薄膜；本课题制备的Al2O3膜是一般纳米Al2O3膜纯水通量的1.55～2倍；SiO2膜的纯水通量也是一般无机膜的1.55～3.1倍。添加PVA的SiO2膜在0.1Mpa的压力下，纯水通量可达1438.711L/m2h，显气孔率30.97%，Al2O3膜可达930.009L/m2h，孔隙率为30.39%；添加了PEG-300的SiO2膜在0.1Mpa的压力下，纯水通量可达909.27L/m2h，显气孔率28.9%，Al2O3膜可达1172.283L/m2h，孔隙率为33.76%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 无机膜的研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 溶胶凝胶法及特点
• 1.4 研究目的和意义
• 1.5 研究内容和技术路线
• 1.5.1 主要研究内容
• 1.5.2 研究方法和技术路线
• 2 实验药品、仪器及膜的表征
• 2.1 实验药品
• 2.2 实验仪器
• 2.3 膜的表征体系
• 2.3.1 溶液粘度的表征
• 2.3.2 热重-差热分析
• 2.3.3 红外光谱分析
• 2.3.4 原子力显微镜分析
• 2.3.5 扫描电镜分析
• 2.3.6 孔隙及比表面积分析
• 2O₃薄膜制备工艺的改革'>3 Al₂O₃薄膜制备工艺的改革
• 3.1 引言
• 2O₃薄膜制备工艺的影响'>3.2 溶剂中乙醇含量对 Al₂O₃薄膜制备工艺的影响
• 3.2.1 实验方法
• 3.2.2 结果与讨论
• 2O₃薄膜制备工艺的影响'>3.3 原料预处理 Al₂O₃薄膜制备工艺的影响
• 3.3.1 实验方法
• 3.3.2 结果与讨论
• 3.4 本章小结
• 2O₃薄膜的影响'>4 不同添加剂对 Al₂O₃薄膜的影响
• 4.1 引言
• 2O₃薄膜的影响'>4.2 不同添加剂对 Al₂O₃薄膜的影响
• 4.2.1 实验方法
• 4.2.2 结果与讨论
• 4.3 本章小结
• 5 不同添加剂对 SiO2薄膜的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验方法
• 5.3 结果与讨论
• 2薄膜的影响'>5.3.1 DMF 对 SiO₂薄膜的影响
• 2薄膜的影响'>5.3.2 MC 对 SiO₂薄膜的影响
• 2薄膜的影响'>5.3.3 PVA 对 SiO₂薄膜的影响
• 2薄膜的影响'>5.3.4 PEG 对 SiO₂薄膜的影响
• 5.4 本章小结
• 2薄膜的影响结果'>5.4.1 DMF 对 SiO₂薄膜的影响结果
• 2薄膜的影响结果'>5.4.2 MC 对 SiO₂薄膜的影响结果
• 2薄膜的影响结果'>5.4.3 PVA 对 SiO₂薄膜的影响结果
• 2薄膜的影响结果'>5.4.4 PEG 对 SiO₂薄膜的影响结果
• 6 薄膜与支撑体的结合性研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验方法
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 涂膜液稳定性对膜的影响
• 6.3.2 涂膜方式对膜的影响
• 6.3.3 支撑体表面粗糙度对涂膜的影响
• 6.3.4 热稳定性测试
• 6.3.5 红外光谱分析
• 6.3.6 扫描电镜分析
• 6.3.7 纯水通量测试
• 6.3.8 孔隙率测试
• 6.4 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表文章
• 致谢