本發(fā)明涉及一種高透氣性tpms結(jié)構(gòu)陶瓷膜的制備方法，屬于膜材料的制備領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、過程工業(yè)中常伴隨大量的高溫含塵煙氣，高溫?zé)煔獠粌H溫度高、粉塵含量大，還有一定的酸堿腐蝕性，高溫?zé)煔獾母咝幚韺Νh(huán)境和生產(chǎn)均具有重要意義。陶瓷膜高溫除塵技術(shù)在高溫?zé)煔猸h(huán)境中，具有機械穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠保持良好除塵效果。陶瓷膜通常由支撐體、過渡層和分離層組成，但孔隙率低、孔曲折度高、層間內(nèi)滲等問題使得陶瓷膜的滲透阻力較高，影響了其在分離領(lǐng)域的應(yīng)用效率。因此，改善陶瓷膜結(jié)構(gòu)對制備高透氣性的高溫除塵陶瓷膜具有重要意義。

2、3d打?。ā霸霾闹圃臁保┦峭ㄟ^材料逐層累積將數(shù)字模型轉(zhuǎn)化為實體零件的制造技術(shù)，較“等材制造”和“減材制造”技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件制備領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢。光固化3d打印技術(shù)具有成型精度高、速度快、材料多樣、結(jié)構(gòu)靈活等優(yōu)點。光固化3d打印陶瓷成型技術(shù)通常是將陶瓷粉體與光敏樹脂混合，先打印成型后，再經(jīng)過排膠-燒結(jié)過程，得到陶瓷材料。chen等人[ceramics?international?50?(2024)?1732–1741]采用dlp-3d打印技術(shù)制備了多孔氧化鋁陶瓷。shi等人[additive?manufacturing?79?(2024)?103942]采用dlp-3d打印技術(shù)，成功制備了高性能的碳化硅陶瓷材料，該碳化硅陶瓷具有較高的密度和200?mpa以上的抗折強度。

3、tpms結(jié)構(gòu)是一種經(jīng)過數(shù)學(xué)模型優(yōu)化的、在三維空間中三個獨立方向均呈周期性的極小曲面結(jié)構(gòu)，具有較高的比表面積和三維連通的多孔結(jié)構(gòu)。sun等人[acs?appl.?mater.interfaces?2020,?12,?34837?34847]基于tpms結(jié)構(gòu)的高密度三維結(jié)構(gòu)在高效率光能轉(zhuǎn)換中的優(yōu)勢，制備了一種用于太陽蒸汽發(fā)電的gyroid結(jié)構(gòu)au-cus材料，實現(xiàn)了納米通道中水分吸收和蒸發(fā)的動態(tài)平衡以及高效的熱傳導(dǎo)。sreedhar等人[desalination?425?(2018)12–21]制備了一種用于水處理過程的tpms結(jié)構(gòu)進料墊片，在反滲透和超濾膜分離中均表現(xiàn)出較好的抗污染性能和滲透通量。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種高透氣性tpms結(jié)構(gòu)陶瓷膜的制備方法，本發(fā)明制備的陶瓷膜具有可精確控制的三維連通孔道結(jié)構(gòu)，以及厚度可控的分離層，且一步成型和一次燒結(jié)制備工藝大大縮短了生產(chǎn)周期，制備的tpms結(jié)構(gòu)陶瓷膜具有較好的滲透通量，在高溫除塵中表現(xiàn)出良好的分離效率。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案為：

3、一種tpms結(jié)構(gòu)的碳化硅陶瓷膜的制備方法，其具體步驟如下：

4、a.?光固化多孔陶瓷漿料制備，將光敏樹脂、陶瓷粉體光引發(fā)劑按一定比例置于球磨罐中，在一定轉(zhuǎn)速下混合均勻，然后通過機械攪拌對混合后的陶瓷漿料進行除泡，得到光固化陶瓷漿料。

5、b.?tpms結(jié)構(gòu)陶瓷膜建模，通過三維建模軟件建立tpms結(jié)構(gòu)陶瓷膜的數(shù)字模型，將tpms結(jié)構(gòu)的隱式函數(shù)公式導(dǎo)入ntop三維建模軟件，構(gòu)建tpms結(jié)構(gòu)單元，設(shè)置tpms結(jié)構(gòu)單元的單元尺寸和壁厚參數(shù)；再構(gòu)建陶瓷膜模型，設(shè)置其直徑和厚度參數(shù)，將tpms結(jié)構(gòu)單元與陶瓷膜耦合，得到tpms結(jié)構(gòu)陶瓷膜的數(shù)字模型，包括tpms結(jié)構(gòu)支撐體和分離層。

6、c.?tpms結(jié)構(gòu)碳化硅陶瓷膜生坯3d打印，將tpms結(jié)構(gòu)陶瓷膜模型以stl.格式文件導(dǎo)入3d打印機關(guān)聯(lián)的軟件中，設(shè)置打印過程的切片厚度、曝光強度等參數(shù)，通過光固化3d打印過程制備陶瓷膜生坯；打印完成后，將打印成型的碳化硅陶瓷膜生坯從打印平臺上取下，用清洗劑將生坯表面殘留的漿料清洗干凈并在一定溫度下干燥。

7、d.?tpms結(jié)構(gòu)陶瓷膜燒結(jié)，將tpms結(jié)構(gòu)陶瓷膜生坯置于高溫?zé)Y(jié)爐中，設(shè)置排膠-燒結(jié)過程的升溫速率和保溫時間，燒結(jié)完成后隨爐冷卻。

8、優(yōu)選所述的陶瓷漿料中陶瓷粉體含量為50~60?wt%，光引發(fā)劑的添加量為0.5~1wt%，其余為光敏樹脂。

9、優(yōu)選所述的陶瓷漿料制備中球磨的轉(zhuǎn)速為350~450?rpm，球磨時間為4~6?h；機械攪拌的轉(zhuǎn)速為300~500?rpm，混合時間1~2?h。

10、優(yōu)選所述的tpms結(jié)構(gòu)單元包括diamond結(jié)構(gòu)（d）、gyorid結(jié)構(gòu)（g）、permitive結(jié)構(gòu)（p）、split-p結(jié)構(gòu)。

11、優(yōu)選所述的tpms結(jié)構(gòu)單元尺寸中結(jié)構(gòu)單元大小為1.0~5.0?mm，結(jié)構(gòu)單元壁厚尺寸為0.1~2?mm。

12、優(yōu)選所述的tpms結(jié)構(gòu)片式陶瓷膜尺寸中分離層厚度為50~200?μm。

13、優(yōu)選所述光固化過程中切片厚度為25~50?μm，曝光強度為150~250?mj/cm2。

14、優(yōu)選所述清洗過程中清洗劑為1,6-己二醇二丙烯酸酯(hdda)和去離子水，干燥過程為25?℃干燥6?h。

15、優(yōu)選所述碳化硅陶瓷膜生坯的排膠燒結(jié)溫度為300~600?℃，排膠時間為2~6?h，升溫速率為0.5~1.5?℃/min。

16、優(yōu)選所述碳化硅陶瓷膜燒結(jié)溫度為1300~1500?℃，燒結(jié)時間為2~4?h，升溫速率為1~3?℃/min。

17、本發(fā)明的有益效果為：

18、本發(fā)明以光固化陶瓷漿料為原料，采用光固化3d打印制備得到陶瓷膜生坯，再經(jīng)過排膠-燒結(jié)過程得到tpms結(jié)構(gòu)陶瓷膜?；谌芷跇O小曲面（tpms）結(jié)構(gòu)，結(jié)合三維建模軟件，構(gòu)建出tpms結(jié)構(gòu)陶瓷膜數(shù)字模型。所述的高透氣性陶瓷膜由tpms多孔結(jié)構(gòu)的支撐體和厚度可控的分離層組成，3d打印的tpms結(jié)構(gòu)支撐體以其高孔隙率、低孔道曲折度顯著降低了陶瓷膜的滲透阻力。同時，tpms結(jié)構(gòu)陶瓷膜通過光固化3d打印一次成型，一次燒結(jié)成型，有效縮短了制備周期，降低了燒結(jié)能耗。本發(fā)明制備的tpms結(jié)構(gòu)陶瓷膜透氣性高、孔結(jié)構(gòu)均勻可控，在高溫環(huán)境下具有良好的穩(wěn)定性，為高溫氣體除塵提供了一種高效材料。

技術(shù)特征：

1.一種高透氣性tpms結(jié)構(gòu)陶瓷膜的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高透氣性tpms結(jié)構(gòu)陶瓷膜的制備方法，其特征在于，陶瓷漿料中陶瓷粉體含量為50~60?wt%，光引發(fā)劑的添加量為0.5~1?wt%，其余為光敏樹脂。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高透氣性tpms結(jié)構(gòu)陶瓷膜的制備方法，其特征在于，陶瓷漿料制備中球磨的轉(zhuǎn)速為300~500?rpm，球磨時間為4~6?h；機械攪拌的轉(zhuǎn)速為500~800rpm，混合時間30~60?min。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高透氣性tpms結(jié)構(gòu)陶瓷膜的制備方法，其特征在于，tpms結(jié)構(gòu)單元包括diamond結(jié)構(gòu)（d）、gyorid結(jié)構(gòu)（g）、permitive結(jié)構(gòu)（p）、split-p結(jié)構(gòu)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高透氣性tpms結(jié)構(gòu)陶瓷膜的制備方法，其特征在于，tpms結(jié)構(gòu)單元中，單元大小尺寸為1.0~5.0?mm，單元壁厚尺寸為0.1~1?mm。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高透氣性tpms結(jié)構(gòu)陶瓷膜的制備方法，其特征在于，tpms結(jié)構(gòu)片式陶瓷膜尺寸中分離層厚度為50~200?μm。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高透氣性tpms結(jié)構(gòu)陶瓷膜的制備方法，其特征在于，光固化過程中切片厚度為25~50?μm，曝光強度為150~250?mj/cm2。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高透氣性tpms結(jié)構(gòu)陶瓷膜的制備方法，其特征在于，步驟c所述清洗劑為1,6-己二醇二丙烯酸酯(hdda)和去離子水，干燥過程為25?℃干燥6?h。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高透氣性tpms結(jié)構(gòu)陶瓷膜的制備方法，其特征在于，tpms結(jié)構(gòu)陶瓷膜生坯的排膠過程的溫度為300~600?℃，升溫速率為0.5~1.5?℃/min，保溫時間為2~6?h；碳化硅陶瓷膜燒結(jié)過程的升溫速率為1~3?℃/min，燒結(jié)溫度為1300~1500?℃，保溫時間為2~4?h。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種高透氣性TPMS結(jié)構(gòu)陶瓷膜的制備方法。以陶瓷漿料為原料，采用光固化3D打印成型和高溫?zé)Y(jié)，制備得到TPMS結(jié)構(gòu)陶瓷膜。基于三周期極小曲面（TPMS）結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了一種TPMS結(jié)構(gòu)陶瓷膜的數(shù)字模型，該陶瓷膜由TPMS多孔結(jié)構(gòu)支撐體和厚度可控的分離層組成，其中3D打印制備的TPMS結(jié)構(gòu)支撐體以其高孔隙率、低孔道曲折度顯著降低了陶瓷膜的滲透阻力。TPMS結(jié)構(gòu)陶瓷膜通過光固化3D打印一次成型，一次燒結(jié)成型，有效縮短了制備周期，降低了燒結(jié)能耗。本發(fā)明制備的TPMS結(jié)構(gòu)陶瓷膜透氣性高、孔結(jié)構(gòu)均勻可控，在高溫環(huán)境下具有良好的穩(wěn)定性，為高溫氣體除塵提供了一種高效材料。

技術(shù)研發(fā)人員：仲兆祥,高源匯,鄒棟,劉澤賢,邢衛(wèi)紅
受保護的技術(shù)使用者：南京工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2