專利名稱：一種微纖結(jié)構(gòu)化微米尺度顆粒的多孔復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微纖結(jié)構(gòu)化微米尺度顆粒的多孔復(fù)合材料及其制備方法，具體地說，涉及一種局部熔結(jié)有機聚合物纖維結(jié)構(gòu)化微米尺度顆粒物的多孔復(fù)合材料及其制造方法，屬催化劑、催化劑載體、過濾材料和吸附分離材料及其制備的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
大表面積、多孔復(fù)合物是重要的工程材料，在催化劑、催化劑載體、過濾材料和吸附分離材料等多個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。無機氧化物或金屬多孔復(fù)合材料，通常采用燒結(jié)/熔融、擠壓或粘結(jié)微球的方法來制造。用燒結(jié)/熔融或粘結(jié)微球的技術(shù)制造的多孔材料只能在固定區(qū)域內(nèi)獲得分布很窄的空隙率，且空隙率的數(shù)值強烈地取決于堆積方式。另外，燒結(jié)/熔融或粘結(jié)微球形成的網(wǎng)絡(luò)的有效孔徑也取決于微球的直徑。相反，具有大縱橫比的微纖允許我們不受微纖直徑影響、獨立地創(chuàng)造大空隙率材料并同時裁剪/選擇孔徑，而且熔結(jié)微纖載體的有效孔徑在很寬廣的區(qū)域內(nèi)是連續(xù)可調(diào)控的。
基于纖維材料在制造大孔隙率且孔隙率和網(wǎng)絡(luò)孔徑易于調(diào)控的獨特優(yōu)異性，美國專利(U.S.Patents 5,304,330；5,080,963；5,102,745；5,096,663；和6,231,792)發(fā)明了具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)燒結(jié)纖維及其制造方法，但僅報道了燒結(jié)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)Ni金屬纖維的制造實施例。這種材料雖然有開放的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和可控的空隙率及孔徑，但面積體積比較小、材料的抗腐蝕和抗氧化性能差、造價高。
本發(fā)明人在2005年由美國化學(xué)會出版的《微反應(yīng)器技術(shù)和過程強化》(Yong Wang等主編)一書中報道了用燒結(jié)Ni微纖包結(jié)粒徑為100-200μm的SiO2顆粒并負(fù)載ZnO，用于富H2氣體中微量H2S的吸附脫除，與大顆粒商品吸附劑相比，ZnO的利用率顯著提高、反應(yīng)器的重量和體積明顯減小。用燒結(jié)金屬Ni纖維雖然可以大負(fù)載量地載持多孔大比表面積微米顆粒，用于反應(yīng)或吸附過程可顯著改善反應(yīng)床層的傳質(zhì)、傳熱性能和提高反應(yīng)器利用效率；但金屬纖維材料在抗腐蝕和抗氧化性能方面的不足，并且纖維價格昂貴，使這種新結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的應(yīng)用受到了很大限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的第一個技術(shù)問題是提出一種微纖結(jié)構(gòu)化微米尺度顆粒的多孔復(fù)合材料，其特征在于，含微纖和微米尺度顆粒，微纖是有機聚合物微纖，微米尺度顆粒是功能材料的顆粒，微纖的結(jié)合點熔結(jié)在一起，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，微米尺度的顆粒被均勻地束縛于呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的微纖，該材料的空隙率為50～80％，微纖占該材料總體積的3～12％。該材料具有以下優(yōu)點(1)具有大縱橫比的微纖，使得不受微纖直徑影響、獨立地創(chuàng)造大空隙率材料并同時裁剪/選擇孔徑成為可能；(2)微纖的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的有效孔徑在很寬廣的區(qū)域內(nèi)連續(xù)可調(diào)控；(3)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以高負(fù)載量地包結(jié)微米尺寸的顆粒，如催化劑、吸附劑、磁性材料等的顆粒，負(fù)載量可達50～80wt％；(4)有機聚合物微纖的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有良好的抗腐蝕性、抗氧化性能；(5)具有獨特的形狀因子，可以制成薄層大面積和/或褶皺結(jié)構(gòu)，以完全不同于固定床、滴流床、淤漿床、微通道、蜂窩陶瓷整體結(jié)構(gòu)反應(yīng)器等傳統(tǒng)反應(yīng)器技術(shù)的方式，調(diào)變催化劑/吸附劑對反應(yīng)物或污染物的接觸效率；(6)具有在亞微觀、甚至微觀尺度下實現(xiàn)催化劑-反應(yīng)器一體化、模塊化設(shè)計的特點；(7)易于制造、制造費用小。
本發(fā)明要解決的第二個技術(shù)問題是提供一種所述材料的制備方法。
本發(fā)明采用以下技術(shù)方案使上述技術(shù)問題得到解決(1)將選定比例的微纖、微米尺度顆粒、粘結(jié)劑分別加入到適量水中，攪拌成均勻的漿液；(2)將得到的漿液在成型模具上過濾，形成前驅(qū)體；(3)將得到的前驅(qū)體干燥，特定溫度、氣氛和壓力下使纖維的接觸點熔結(jié)，形成網(wǎng)狀微纖結(jié)構(gòu)化微米尺度顆粒物的多孔復(fù)合材料。
現(xiàn)詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
一種微纖結(jié)構(gòu)化微米尺度顆粒的多孔復(fù)合材料的制造方法，其特征在于，操作步驟第一步依次將粘結(jié)劑、微纖和微米尺度顆粒加入到水中，攪拌成均勻的漿液，粘結(jié)劑∶微纖∶微米尺度顆?！盟闹亓勘葹?∶1.66～3∶7～10∶300～3000，粘結(jié)劑是直徑和長度分別為10～100μm和1～10mm的非水溶性纖維素，微纖是一元或多元有機聚合物微纖，微米尺度顆粒是粒徑為10～500μm的催化劑/吸附劑、大表面積多孔氧化物顆粒；第二步向第一步制得的漿液內(nèi)加水，混和均勻后將水濾除，在過濾模具上形成濕濾餅，粘結(jié)劑∶加入水的重量比為1∶5000～10000；第三步將第二步制得的濕濾餅烘干，在130～300℃的溫度下、10-50公斤壓力下熔結(jié)2～5分鐘，制得產(chǎn)品，燒結(jié)微纖結(jié)構(gòu)化微米尺度顆粒的多孔復(fù)合材料。
本發(fā)明的技術(shù)方案的進一步特征在于，第一步中，微米尺度顆粒粒徑的優(yōu)化值為50～350μm。
本發(fā)明的技術(shù)方案的進一步特征在于，制造過程按連續(xù)方式進行，將第一步制得的漿液連續(xù)加入移動式過濾機，同時將過濾產(chǎn)物連續(xù)不斷地烘干、燒結(jié)形成產(chǎn)品。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下顯著優(yōu)點(1)復(fù)合材料含呈三維開放網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的燒結(jié)微纖。
(2)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)孔口和空隙率可連續(xù)調(diào)控。
(3)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能大負(fù)載量地載持微米尺度顆粒。
(4)復(fù)合材料具有大孔隙率、大面積體積比。
(5)易于制造、制造費用小。


圖1是實施例1的樣品A′的光學(xué)顯微鏡照片。
圖2是實施例2的樣品B′的光學(xué)顯微鏡照片。
圖3是實施例3的樣品C′的光學(xué)顯微鏡照片。
圖4是實施例4的樣品D′的光學(xué)顯微鏡照片。
圖5是實施例5的樣品E′的光學(xué)顯微鏡照片。
所有的結(jié)果顯示，微纖與微纖的結(jié)合點完美地融結(jié)在一起，形成了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同時，微米尺度顆粒被均勻地束縛在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中。
具體實施例方式
下面的實施例將具體描述本發(fā)明。所有實施例均按上述技術(shù)方案的操作步驟進行操作。
實施例1第一步粘結(jié)劑是直徑和長度分別為10～100μm和1～10mm的非水溶性纖維素，微纖是寧波大成新材料有限公司出售的直徑20μm、長6mm的DCF短切纖維，微米尺度顆粒是粒徑為100～150μm的活性碳顆粒，取0.9g粘結(jié)劑加入到1800g水中，攪拌均勻，然后將1.5g微纖和7.5g顆粒依次加入上述液體，攪拌成均勻漿液，粘結(jié)劑∶微纖∶微米尺度顆?！盟闹亓勘葹?∶1.67∶8.33∶2000。
第二步將第一步制得的漿液加入到盛有5400g水的過濾容器中，混和均勻后將水濾除，在過濾模具上形成濕濾餅，粘結(jié)劑∶加入水的重量比為1∶6000。
第三步將第二步制得的濕濾餅烘干，干濾餅在135℃的溫度、30公斤壓力下熔結(jié)2分鐘，制得產(chǎn)品，熔結(jié)網(wǎng)狀DCF有機聚合物纖維結(jié)構(gòu)化微米活性碳顆粒的多孔復(fù)合材料。產(chǎn)品的空隙率為55％，纖維占樣品總體積的5％。該產(chǎn)品標(biāo)記為A′。
本實施例的第一步中，水的用量可以是600g，即粘結(jié)劑∶微纖∶微米尺度顆?！盟闹亓勘葹?∶1.67∶8.33∶667。
本實施例的第一步中，微纖直徑可以是2～20μm。
本實施例的第一步中，微纖直徑可以是20～40μm。
本實施例的第一步中，活性碳顆粒粒徑可以是10～100μm。
本實施例第一步中，活性碳顆粒粒徑可以是150～500μm。
本實施例第一步中，微米尺度顆粒可以是SiO2、Al2O3、多孔硅鋁酸鹽、催化劑、吸附劑的顆粒。
本實施例第一步中，微纖可以是DCPET有機聚合物微纖(寧波大成新材料有限公司出售)、聚四氟乙烯微纖、聚氯乙烯微纖、聚氯丙烯微纖、聚苯乙烯微纖、聚異丙苯微纖。第三步中的燒結(jié)溫度為220～280℃。
本實施例的第一步中，微纖可以是PET有機聚合物微纖、聚丙烯微纖、聚酯微纖、尼龍微纖。第三步中的燒結(jié)溫度為170-220℃。
實施例2除以下不同外，其余均同實施例1。
第一步中，粘結(jié)劑和顆粒的加入量分別為0.9g和9.0g，粘結(jié)劑∶微纖∶微米尺度顆?！盟闹亓勘葹?∶1.67∶10∶1000。第二步中，粘結(jié)劑∶加入水的重量比為1∶3000。第三步中，熔結(jié)壓力為50公斤壓力，熔結(jié)時間為5分鐘。產(chǎn)品的空隙率為51％，微纖占產(chǎn)品總體積的4.5％。該產(chǎn)品標(biāo)記為B′。
實施例3除以下不同外，其余均同實施例1。
第一步中，微纖和顆粒的加入量分別為2.7g和9.0g，粘結(jié)劑∶微纖∶微米尺度顆?！盟闹亓勘葹?∶3∶10∶3000。第二步中，粘結(jié)劑∶加入水的重量比為1∶7000。第三步中，熔結(jié)壓力為15公斤壓力，燒結(jié)時間為4分鐘。產(chǎn)品的空隙率為65％，微纖占產(chǎn)品總體積的8％。該產(chǎn)品標(biāo)記為C′。
實施例4除以下不同外，其余均同實施例1。
第一步中，微纖是寧波大成新材料有限公司出品的直徑20μm、長3mm的DCPET短切纖維，加入量為1.8g，微米尺度顆粒是粒徑為100～200μm的活性碳顆粒，加入量為6.3g，粘結(jié)劑的加入量為0.9g，粘結(jié)劑∶微纖∶微米尺度顆粒∶水的重量比為1∶2∶7∶2000。第二步中，粘結(jié)劑∶加入水的重量比為1∶10000。第三步中，熔結(jié)溫度和壓力分別為250℃和30公斤壓力，熔結(jié)時間為5分鐘。產(chǎn)品的空隙率為73％，微纖占產(chǎn)品總體積的6％。該產(chǎn)品標(biāo)記為D′。
實施例5除以下不同外，其余均同實施例1。
第一步中，微纖是寧波大成新材料有限公司出售的直徑20μm、長3mm的PET短切纖維，加入量為1.8g，微米尺度顆粒是粒徑為100～200μm的活性碳顆粒，加入量為6.3g，粘結(jié)劑的加入量為0.9g，粘結(jié)劑∶微纖∶微米尺度顆?！盟闹亓勘葹?∶2∶7∶2000。第二步中，粘結(jié)劑∶加入水的重量比為1∶10000。第三步中，熔結(jié)溫度和壓力分別為200℃和50公斤壓力，熔結(jié)時間為3分鐘。產(chǎn)品的空隙率為70％，微纖占產(chǎn)品總體積的6.6％。該產(chǎn)品標(biāo)記為E′。
權(quán)利要求
1.一種微纖結(jié)構(gòu)化微米尺度顆粒的多孔復(fù)合材料，其特征在于，含微纖和微米尺度顆粒，微纖是有機聚合物微纖，微米尺度顆粒是功能材料的顆粒，微纖的結(jié)合點熔結(jié)在一起，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，微米尺度的顆粒被均勻地束縛于呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的微纖，該材料的空隙率為50～80％，微纖占該材料總體積的3～12％。
2.權(quán)利要求1所述的微纖結(jié)構(gòu)化微米尺度顆粒的多孔復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，操作步驟第一步依次將粘結(jié)劑、微纖和微米尺度顆粒加入到水中，攪拌成均勻的漿液，粘結(jié)劑∶微纖∶微米尺度顆?！盟闹亓勘葹?∶1.66～3∶7～10∶300～3000，粘結(jié)劑是直徑和長度分別為10～100μm和1～10mm的非水溶性纖維素，微纖是一元或多元有機聚合物微纖，微米尺度顆粒是粒徑為10～500μm的催化劑/吸附劑、大表面積多孔氧化物顆粒；第二步向第一步制得的漿液內(nèi)加水，混和均勻后將水濾除，在過濾模具上形成濕濾餅，粘結(jié)劑∶加入水的重量比為1∶5000～10000；第三步將第二步制得的濕濾餅烘干，在130～300℃的溫度下、10-50公斤壓力下熔結(jié)2～5分鐘，制得產(chǎn)品，燒結(jié)微纖結(jié)構(gòu)化微米尺度顆粒的多孔復(fù)合材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微纖結(jié)構(gòu)化微米尺度顆粒的多孔復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，第一步中，微米尺度顆粒粒徑的優(yōu)化值為50～350μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微纖結(jié)構(gòu)化微米尺度顆粒的多孔復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，制造過程按連續(xù)方式進行，將第一步制得的漿液連續(xù)加入移動式過濾機，同時將過濾產(chǎn)物連續(xù)不斷地烘干、燒結(jié)形成產(chǎn)品。
全文摘要
一種微纖結(jié)構(gòu)化微米尺度顆粒的多孔復(fù)合材料及其制備方法，屬催化劑、催化劑載體、過濾材料和吸附分離材料及其制備的技術(shù)領(lǐng)域。該材料含有機聚合物微纖和功能材料的微米尺度顆粒，微纖的結(jié)合點熔結(jié)在一起，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，微米尺度的顆粒被均勻地束縛于呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的微纖，空隙率為50～80％，微纖占該材料總體積的3～12％。該材料的制備步驟將選定比例的微纖、微米尺度顆粒、粘結(jié)劑分別加入到適量水中，攪拌成均勻的漿液；漿液在成型模具上過濾，形成前驅(qū)體；前驅(qū)體干燥，特定溫度、氣氛和壓力下使纖維的接觸點熔結(jié)，形成該材料。本發(fā)明具有大孔隙率、大面積體積比、易于制造和制造費用小等優(yōu)點。
文檔編號B01J37/00GK1836779SQ20061002584
公開日2006年9月27日 申請日期2006年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月19日
發(fā)明者路勇, 薛青松, 陳金春, 湯殷, 王紅, 劉月明, 楊建國, 何鳴元 申請人:華東師范大學(xué)