低成本陶瓷膜制備技術研究
相對于有機膜，陶瓷膜的制備成本較高，其應用受到了一定的限制。陶瓷膜的制備成本主要集中在原材料及燒結工藝上，因此，通過添加燒結助劑以降低燒結溫度、采用低成本易燒結原料以降低原料成本，以及利用先進的燒結工藝以達到低成本控制已成為陶瓷膜的研究熱點。
1、低成本易燒結原料降低制備成本
為實現陶瓷膜的低溫燒結，降低成本，研究人員常在骨料中加入一些液相型或者固相型燒結助劑，前者如高嶺土、鉀長石等天然硅酸鹽黏土礦物，其在較低的溫度便熔融形成液相，在顆粒間毛細管力的作用下潤濕并包裹骨料粉體顆粒，并將顆粒黏結起來，輔以多孔陶瓷良好的機械強度；后者如氧化鈦、氧化鋯、氧化釔等金屬氧化物，能與氧化鋁形成多元氧化物固熔物而使燒結溫度下降。胡錦猛等以平均粒徑22μM的α-Al2O3粉體為骨料，粒徑0.5μM的α-Al2O3粉體為燒結助劑，采用聚甲基丙烯酸銨和聚乙烯亞胺將燒結助劑均勻包覆在骨料表面，從而在1550℃下實現燒結，低于常規燒結溫度1700℃，多孔陶瓷的機械強度為34.2MPA，孔隙率為34%，平均孔徑為2.34μM，純水通量為205M3·M-2·h-1（1MPA）。fAlAMAｋi等采用CACO3作為造孔劑混入燒結助劑制備片式氧化鋁多孔支撐體，工業氧化鋁（α-Al2O3的質量分數高于96%）的粉體平均粒徑為160μM，當CACO3含量為5%時，在1350℃下燒結制得的支撐體孔隙率為41%，抗彎強度25MPA，此時滲透性，這是由于液相燒結使得陶瓷孔道趨于圓柱形，曲折度降低。WAng等以大顆粒高純氧化鋁粉體（D50＝17.5μM）為原料，加入5%亞微米級的金紅石型鈦白粉作為燒結助劑，在1400℃保溫4h燒結，支撐體平均孔徑為2.2μM，抗彎強度55MPA，經過nAOh溶液處理后，強度仍能維持在50MPA。廉價的天然非金屬礦物高嶺土、工業用的莫來石、工業廢棄物粉煤灰等也被用作膜材料，以實現陶瓷膜的低成本化制備。AlMAnDOZ等以高嶺土、石英、氧化鋁和碳酸鈣為原料在1200～1300℃燒結后制備出無支撐的板狀微濾膜。MA-jOuli等采用珍珠巖（主要成分為SiO2和Al2O3）制備平板膜支撐體，當燒結溫度為1000℃，支撐體孔徑為6.64μM，孔隙率41.8%，純水滲透通量為1797l·M-2·h-1（0.1MPA），支撐體在1MOl·l-1的hnO3和nAOh（80℃）溶液中靜置7天后質量損失分別為0.2%和6%，說明支撐體有較好的耐酸腐蝕性能。DOng等以粉煤灰為膜層材料，采用噴涂法在堇青石管式支撐體上制備微濾膜，燒結后膜層主要為堇青石和莫來石相，隨燒結溫度的提高，膜層平均孔徑增大且分布變寬，主要是因為在較高溫度時，在液相燒結的作用下，顆粒尺寸增大使得大孔形成，小孔消失，在1150℃下燒結，支撐體的平均孔徑為5μM，孔隙率達54%。
2、燒結工藝降低制備成本
為了獲得多層非對稱結構，多孔陶瓷膜必須經過多次燒結，造成燒結工藝周期長、能耗高，這已成為陶瓷膜成本難下降的關鍵制約瓶頸。為了解決這一難題，除了上述采用燒結助劑或采用易燒結材料以降低燒結溫度外，減少燒結時間或縮短制備周期也可以達到降低燒結工藝成本的目的。在減少燒結時間方面，一些研究者采用快速燒結技術以顯著縮短燒結時間從而降低燒結成本，其中微波燒結技術是較多采用的方法。該技術是一種非接觸技術，熱通過電磁波的形式傳遞，可直達材料內部，限度地減少了燒結的不均勻性，可在縮短燒結時間的同時，降低燒結溫度。微波技術大多用于制備幾近致密的陶瓷復合物，如Al2O3-ZrO2、Al2O3-TiO2等，同時由于其可改善材料組織、提高材料性能，亦可用于多孔陶瓷復合物的制備。Oh等采用微波燒結技術制備多孔Al2O3-ZrO2陶瓷，結果顯示，相比于傳統燒結技術，其具有更高的彈性模量及斷裂強度，機械強度顯著增強。
在縮短燒結周期方面，一些研究者借鑒低溫共燒陶瓷技術在多層結構陶瓷元器件封裝領域的成功應用，提出采用共燒結技術來減少燒結次數，從而降低燒結成本。feng等采用在剛性支撐體將過渡層和分離層共燒結從而實現雙層Al2O3微濾膜的制備后，又進一步制備出ZrO2及Al2O3微濾膜。Qiu等以TiO2陶瓷纖維作為過渡層材料、TiO2溶膠作為分離層材料，通過將分離層材料摻雜入過渡層以實現共燒結，從而制備出具有高通量、高分離選擇性的TiO2超濾膜，同時解決了TiO2陶瓷纖維成膜結合強度較差的缺點。DOng等以兩種低成本的、具有較小的燒結收縮差異的工業級堇青石粉體為原料，采用共燒結技術制備出雙層高質量堇青石微濾膜，平均孔徑分別為1.55μM和2.17μM。
綜上所述，低成本陶瓷膜制備技術主要是基于采用低廉的陶瓷膜制備原材料、通過添加燒結助劑和優化燒結條件等方面來考慮，為推進陶瓷膜大規模工業化應用奠定良好的基礎，但其在強酸強堿等苛刻環境中的應用穩定性尚需更深入的考察。