新材料在線10月9日訊：碳化硅陶瓷膜擁有化學(xué)穩(wěn)定性高、抗熱震性好、親水性強(qiáng)、膜通量大、機(jī)械強(qiáng)度高、孔徑分布集中、孔結(jié)構(gòu)梯度較好等特點(diǎn)。相較于傳統(tǒng)膜材料，碳化硅陶瓷膜在水處理時(shí)可高效分離水中懸浮顆粒及油滴而不受給水質(zhì)量影響，也因?yàn)樗€(wěn)定耐用的特性可以有效減少停工期以及安裝成本，被認(rèn)為是一種有望取代各種無(wú)機(jī)膜的新型分離膜。

        碳化硅陶瓷膜的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

            隨著各國(guó)政府對(duì)廢水排放及原油采收率的要求日漸嚴(yán)格，碳化硅陶瓷膜在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用方面凸顯出較大優(yōu)勢(shì)。在最近幾年，以liqtech為代表的商用碳化硅陶瓷膜開(kāi)始在高溫氣固分離、工業(yè)廢水處理等方面嶄露頭角。

            碳化硅具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性、化學(xué)惰性、斷裂韌性以及耐酸堿性。其具有較大的膜通量，用于水處理效率非常高。同樣，在高溫環(huán)境、生物醫(yī)藥以及食品等領(lǐng)域都有非常廣泛的應(yīng)用。

            碳化硅陶瓷膜在油水分離方面應(yīng)用具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橄鄬?duì)于高分子膜，雖然通過(guò)共混改性可以提高膜的親水性和抗污染性，但膜的通量還是比較低，且經(jīng)過(guò)沖洗后通量會(huì)降低較多。碳化硅陶瓷膜具有膜通量大，可清洗性強(qiáng)，分離效果佳和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

            碳化硅陶瓷膜不僅具有一般無(wú)機(jī)膜的耐高溫高壓、耐化學(xué)腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，而且機(jī)械強(qiáng)度高、抗熱震性能強(qiáng)、孔隙率高、比表面積大等特點(diǎn)，可以用于高溫除塵等領(lǐng)域。

            碳化硅陶瓷膜的制備方法

            不同于發(fā)展較為成熟的氧化物陶瓷膜，碳化硅陶瓷膜由于其材質(zhì)本身的特殊性，在膜制備方面略遜一籌，現(xiàn)有制備技術(shù)有顆粒堆積法、碳熱還原法、聚合物裂解法及化學(xué)氣相沉積法等。

        顆粒堆積法

            顆粒堆積法即固態(tài)粒子燒結(jié)法，這種方法脫胎于多孔陶瓷制備方法，是常見(jiàn)的陶瓷膜制備方法，在大顆粒中摻雜小顆粒，利用細(xì)小顆粒容易燒結(jié)的特點(diǎn)，升至一定溫度使大顆粒間形成連接，其中理想情況為大顆粒間頸部粘接，留有大量貫通孔道，同時(shí)保有較好的力學(xué)性能。

            在使用顆粒堆積法制作碳化硅膜時(shí)，常使用浸漿法利用毛細(xì)孔作用生成膜層，配制穩(wěn)定懸浮漿料后將漿料與支撐體表面接觸，介質(zhì)流入支撐體，分散在介質(zhì)中的原料則濃縮堆積在支撐體表面形成粒子層，再經(jīng)過(guò)干燥燒成形成成品。

            這種方法工序簡(jiǎn)便，設(shè)備需求低，適用于工業(yè)化大量生產(chǎn)，力學(xué)性能良好，但孔隙率相對(duì)較低。由于其孔隙率與力學(xué)性能是反相關(guān)關(guān)系，可通過(guò)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)在這兩者間進(jìn)行取舍。

        碳熱還原反應(yīng)燒結(jié)法

            碳熱還原反應(yīng)燒結(jié)主要使用適量的硅源和碳作為原料均勻混合，均勻涂覆在支撐體上，再在氬氣氣氛或真空環(huán)境保護(hù)下進(jìn)行碳熱還原反應(yīng)，以二氧化硅作硅源為例，其中反應(yīng)主要有：

            碳熱還原反應(yīng)燒結(jié)制備碳化硅陶瓷膜所用碳源硅源多為有機(jī)物，常需使用溶膠凝膠法成膜，而溶膠凝膠法制作碳化硅膜存在成膜條件較為苛刻、易產(chǎn)生缺陷，成品率不高等難點(diǎn)，因此少有具體應(yīng)用。

            碳熱還原反應(yīng)燒結(jié)原料多樣，反應(yīng)溫度低，若能解決膜層成型階段條件苛刻以及成品率低的問(wèn)題就有潛力在碳化硅陶瓷膜的工業(yè)化生產(chǎn)領(lǐng)域與顆粒堆積法競(jìng)爭(zhēng)。

        聚合物裂解法

            聚合物裂解法使用陶瓷先驅(qū)體將其溶解或熔融并涂覆于支撐體之上，再經(jīng)過(guò)高溫裂解形成無(wú)機(jī)陶瓷，在國(guó)外是一種較為常見(jiàn)的非氧化物無(wú)機(jī)陶瓷的制備方法。

            以聚碳硅烷為例，在惰性氣氛下加熱到550℃~800℃時(shí)其分子結(jié)構(gòu)中Si-H鍵與C-H鍵斷開(kāi)產(chǎn)生大量游離氫并生成氫氣，對(duì)于含甲基的部分則接受游離氫甲基分界產(chǎn)生CH4，800℃以上剩余氫原子繼續(xù)轉(zhuǎn)化為游離氫分解，開(kāi)始形成Si-C鍵，最終形成β-SiC。

            聚合物裂解法制備碳化硅膜具有膜層成型方便，厚度可控，工藝簡(jiǎn)單，相較于顆粒堆積法來(lái)講加熱溫度較低（1000℃左右），但原料成本相對(duì)來(lái)講略為高昂。

            目前大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)濾用碳化硅陶瓷膜多用顆粒堆積法和聚合物裂解法，顆粒堆積法生產(chǎn)出的成品多為微濾膜，應(yīng)用范圍有限，和其他材質(zhì)膜材料相比沒(méi)有決定性?xún)?yōu)勢(shì)，還有待進(jìn)一步發(fā)展。

            聚合物裂解法則相對(duì)較為成熟，厚度穩(wěn)定卻難控，孔徑小成膜率好，還需繼續(xù)改進(jìn)。碳熱還原法雖然成膜孔徑小，但成膜率不高效果有待提高。

            除上述方法之外還有制得膜層可控性強(qiáng)、致密度高、孔徑小的化學(xué)氣相沉積法，但其成本較高，工藝復(fù)雜，通量略顯不足，且目前化學(xué)氣相沉積法所制得碳化硅陶瓷膜多用于半導(dǎo)體行業(yè)和氣相分離，在其它方向的應(yīng)用還有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。