氮化硅基中空纤维陶瓷膜的制备及其功能化

Structural ceramics with low-dimensional structure and functional character is an important way to promote their wide applications. To meet the requirement of materials used in harsh conditions, we succeeded in the preparation of silicon nitride hollow fibre ceramic membrane with a unique strong three dimensional network composed of rod-like silicon nitride grains. The membrane shows great potential applications in separation and puriation procedures. We plan to prepare high stable suspensions with high solids loading and low viscosity first. Then we will study the effect of rhological properties on the properties of hollow fibre ceramic membrane precusor, such as relative density, ratio between finger-like pores and sponge-like pores, pore morphology, size and size distribution. The hollow fibre ceramic membrane precusor will be pressurelessly sintered to obtain Si3N4 hollow fibre ceramic membrane with a controlled microstructure. The potential applications of porous hollow fibre membrane in seawater distillation, gas seperation and ultrafiltration will be explored. We also try to prepare dense silicon nitride hollow fibre ceramic membrane with a high thermal conductivity through direct silicon nitridation, and study its application in heat exchanger.We wish our research findings could promote the wide applications of the famous silicon nitride-based ceramics in the field of energy and environmental protection.

结构陶瓷的低维化和功能化是扩展其应用领域的重要途径。针对能源、环境领域对材料在苛刻条件下应用的需求，我们通过相转换法结合无压烧结首次制备出氮化硅中空纤维陶瓷膜。所得陶瓷膜具有独特的由长柱状氮化硅晶粒互相交叉形成的坚强三维网络结构，初步结果显示了在分离、纯化上的应用潜力。研究内容包括设计合适的分散体系，制备出高稳定、高固含量、低粘度的氮化硅基陶瓷粉体浆料，研究浆料流变性以及相转换工艺参数对中空纤维陶瓷膜素坯性能的影响，包括密度、指状孔区域和海绵状孔区域比例和位置、孔隙形状、尺寸以及尺寸分布，并通过研究无压烧结动力学，获得显微结构可控的氮化硅基中空纤维陶瓷膜。探索多孔中空纤维陶瓷膜在海水淡化、气体分离、超滤等方面的应用；提出利用硅粉作起始原料，获得高热导率的致密氮化硅中空纤维陶瓷膜，探索其作为热交换器件的可行性。研究成果将对扩展氮化硅基结构陶瓷在国家急需的能源环保领域的应用奠定材料学基础。

本申请研究高性能氮化硅基多孔陶瓷中空纤维膜的制备，及其在海水淡化、气体分离等方面的应用。研究工作进展顺利，圆满完成研究计划，共在AIChE J，J. membrane Sci, J. Am. Ceram. Soc, J. Eur. Ceram. Soc., J. Phys. Chem. C 等重要期刊发表标注SCI 论文16篇，多篇正在审稿中，另有一些数据正在整理，共申请发明专利3项。国际会议特邀报告2次，口头报告11次。项目主要成果如下：（一）成功合成中空纤维膜：通过相转化与烧结相结合制备了氮化硅中空纤维膜，通过成型工艺能有序调控膜的显微结构，以适应不同领域的应用，并进一步将材料扩展到低热导的Sialon陶瓷，Y2Si2O7陶瓷等。（二）具有不同微观结构的平板膜合成：利用本实验室开发的相转变流延技术成功制备具有垂直直孔结构的氮化硅基平板膜，具有高气孔率和低流动阻力。运用硅粉氮化结合流延成型工艺，低温低成本合成Si3N4纳米线织构而成的多孔氮化硅陶瓷膜，疏水改性后接触角达到160度以上,实现超疏水性。（三）首次实现全陶瓷疏水膜：开发两种工艺（包括甲基硅烷分子的原位氨解、聚合和可控热解，聚硅氧烷的再聚和可控热解），在膜表面生成了具有荷叶状微纳结构的SiNCO非晶纳米陶瓷膜，成功获得高稳定强疏水性全陶瓷膜，具有在苛刻条件下优异的长时间稳定性，并且将此技术应用到荧光材料的表面疏水化，提高了荧光材料在高温高湿条件下的长时间稳定性。（四）陶瓷膜在不同领域的应用研究：在表面涂覆ZIF-8膜用于CO2和氢气的分离；对表面进行疏水化处理后用于海水淡化膜蒸馏；通过显微结构调控，直接用于富水油水混合物的油水分离；疏水化后用于富油油水混合物的油水分离，显示了广泛的工业应用前景。