纳米功能膜的同步负载快速成膜方法

摘要

本发明提供了一种纳米功能膜的同步负载快速成膜方法，利用这种方法可以在载体上快速形成厚度均匀的膜层，且膜层的干燥可在数分钟的成膜过程内同步完成，成膜和干燥时间短。储液罐6中的成膜所需的溶胶或溶液被高压气体雾化后经喷嘴5形成均匀分散的雾状液滴4喷涂在以一定速度连续旋转或移动的载体3上，涂膜的同时，膜干燥部分的热喷嘴1的火焰2将载体加热到150—400℃，使负载在载体上的薄膜层快速干燥。形成均匀的膜层。

权利要求

1.一种纳米功能膜的同步负载快速成膜方法，其特征在于包括如下步骤：(1)载体的预处理：清洗将要镀膜的载体，除去浮尘、油渍，烘干，固定于载体运动机构上；

(2)成膜：将含纳米功能膜所需活性组分的溶胶或溶液倒入储液罐中，利用空压机或高压空气将喷嘴处的液滴快速雾化喷涂在旋转或移动的载体表面，在载体表面形成一膜层；

(3)膜层干燥：在载体上喷雾成膜的同时，热喷嘴的火焰将载体加热到150-400℃，使负载在载体上的膜层同步快速干燥形成均匀膜层；

(4)膜烧结。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(2)的成膜和步骤(3)的膜层干燥交替进行，载体在整个成膜和干燥过程连续旋转或移动。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于对于烧结温度要求低于400℃的无机膜，热喷嘴的火焰在加热载体的同时，将载体上负载的膜烧结。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述载体是陶瓷、金属材质的管或片。

说明书

纳米功能膜的同步负载快速成膜方法

技术领域

[0001] 本发明涉及表面修饰、纳米涂层和无机纳米膜制备领域使用的纳米膜的成膜方法。

背景技术

[0002] 在普通的载体表面涂上纳米涂层，在表面修饰和改性上有广阔的应用前景，如在碳钢上涂上纳米涂层(MoSi2/SiC)，经热处理后，涂层的硬度提高了几十倍，抗氧化和耐高温性能也大大提高，在玻璃上镀上纳米氧化钛膜层，玻璃具有自洁净功能，在太阳光或紫外光照射下能降解空气中的VOC，具有光催化性能，在多孔载体上涂上纳米膜形成的纳滤、超滤膜在液体、气体的净化、分离等领域有广泛应用前景，所涂膜层的性能除了取决于膜的组成外，成膜的方法也起决定作用，能否在载体上稳定快速地负载上均匀的膜层、膜层的性能都与成膜的方法有很大关系。

[0003] 在无机膜领域，要对膜进行修饰，制备纳滤、超滤膜和其它功能膜，在这些膜的修饰、制备过程中，成膜方法是获得均匀、无缺陷膜的关键，一般的成膜方法有涂布法、提涂法(dip-coating)、浸涂法、沉积法、喷涂法等，中国专利“涂膜制造方法”(CN1198106)提到用一种照像凹版辊在一种支撑体上连续涂布一种固形物浓度为0.05～40％(重量)的涂布液，形成一种干燥膜厚为0.005～1μm的薄膜，中国专利CN1359865用提拉涂膜法(dip-coating)在衬底上沉积得到无色透明的WO3气致变色薄膜。涂布法、提涂法(dip-coating)、浸涂法、沉积法成膜的成膜过程和干燥过程都是分开进行的，有膜厚不均匀、干燥时间长和在干燥过程中容易出现裂纹等缺陷，尤其是在多孔载体上成膜时，上述几种方法形成的膜都容易出现裂纹、针眼等缺陷，需要反复涂膜，干燥时间长。当采用溶胶-凝胶法在载体上成膜时，成膜和干燥的周期长达数天甚至更长，而且要求多孔载体的孔结构、孔径大小要与溶胶的粒子大小相匹配，载体的孔径太大，溶胶在成膜过程中将渗入载体孔道内难以在表面成膜，载体的孔径太小在载体表面成膜后，容易出现膜层剥离等现象，影响成膜的性能和使用稳定性。

[0004] 中国专利CN1384219，利用真空成膜装置，用电子枪加热膜的原料而进行两层以上的多层膜的成膜。中国专利CN1336258利用包含许多小孔的内部喷射单元—液体喷涂喷嘴在短时间内制成薄的涂膜。中国专利CN1347137提供了一种成膜方法和成膜装置，由可沿一定方向移动的滴液喷嘴在被处理基板上形成涂膜，利用基板的移动和与真空泵相连的吸嘴将溶剂氛围气吸走，以抑制涂膜的膜厚不均现象，缩短形成涂膜所需的时间。这些成膜方法和成膜装置只适用与平板型的载体表面成膜，对管型或其它形状的载体的成膜不适用。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷，提供一种既可在平板型又可在管型的载体上负载纳米功能膜的同步负载快速成膜方法，这些载体可以是各种陶瓷、金属的管或片，这些陶瓷、金属的管或片可以是多孔的、致密的、光滑和粗糙的。而且成膜和干燥同步完成，大大缩短了成膜和干燥的周期。本发明特有的成膜技术可在数分钟或数十分钟内在载体表面形成膜厚均匀、无缺陷的、膜厚可控的干燥涂膜，对于烧结温度要求低(<400℃)的无机膜，还可一步得到烧结膜，不需后续的烧结工艺。

[0006] 本发明的纳米功能膜的同步负载快速成膜方法包括如下步骤：

[0007] (1)载体的预处理：清洗将要镀膜的载体，除去浮尘、油渍等污染物，烘干固定于载体运动机构上；

[0008] (2)成膜：将含纳米膜所需活性组分的溶胶或溶液倒入储液罐中，利用空压机或高压空气(或氮气)将喷嘴处的液滴快速雾化喷涂在旋转或移动的载体表面，在载体表面形成一膜层；

[0009] (3)膜层干燥：在载体上喷雾成膜的同时，热喷嘴的火焰将载体加热到150—400℃，使负载在载体上的膜层同步快速干燥形成均匀膜层；

[0010] (4)膜烧结。

[0011] 所述膜烧结是指成膜后，放入高温炉中烧结，形成稳定、牢固的膜层。

[0012] 对于烧结温度要求低(<400℃)的无机膜，热喷嘴的火焰在加热载体的同时，可将载体上负载的膜烧结。

[0013] 所述步骤(2)的成膜和步骤(3)的膜层干燥交替进行，载体在整个成膜和干燥过程连续旋转或移动。

[0014] 所述载体是各种陶瓷、金属材质的管或片。这些陶瓷、金属等材质的管或片可以是多孔的、致密的、光滑或粗糙的。

[0015] 本发明与现有技术比较，具有如下优点：

[0016] (1)含纳米膜活性组分的溶胶或溶液被高压气体雾化，溶胶或溶液中的粒子均匀分散，不聚集，可在载体表面形成均匀的膜层。

[0017] (2)在雾化成膜的同时，热喷嘴的火焰将载体同步加热到150—400℃，使负载在载体上的膜层同步快速干燥形成均匀膜层。

[0018] (3)在整个涂膜和干燥过程中，载体始终以匀速旋转或移动，每一瞬间膜层的厚度非常薄，干燥可在瞬间完成，可有效防止膜层干燥过程极易出现的裂纹、针眼等缺陷。

[0019] (4)热喷嘴的火焰在加热载体的同时，可将载体上负载的膜同步烧结。

附图说明

[0020] 图1是在管状载体的外管壁负载纳米功能膜的示意图。

[0021] 图2是在管状载体的内管壁负载纳米功能膜的示意图。

[0022] 图3是在片状载体的表面负载纳米功能膜的示意图(雾化与加热装置分置于载体的两侧。

[0023] 图4是是在片状载体的表面负载纳米功能膜的示意图(雾化与加热装置置于载体的同一侧。

具体实施方式

[0024] 实施例1

[0025] 将多孔氧化铝管3清洗，除去浮尘、油渍等污染物，烘干固定于载体运动机构上，将以异丙醇铝为原料制备的勃母石溶胶倒入储液罐6中(如附图1)，启动载体运动机构，使多孔氧化铝管3以200转/分钟的转速连续旋转，打开气阀，利用高压氮气将喷嘴5处的液滴快速雾化成雾状液滴4喷涂在旋转的多孔氧化铝管3外表面，5秒钟后，在载体表面形成一层液膜。调节热喷嘴1的火焰2大小，使载体表面温度控制在400℃，使负载于载体上的膜层快速干燥，3秒钟后，将热喷嘴1的火焰2调小，继续将喷嘴5处的液滴快速雾化成雾状液滴4喷涂在以一定速度旋转的载体3表面，在载体3表面形成新一层的液膜，如此膜负载和干燥交替进行，40秒后在多孔氧化铝管3表面得到了膜厚均匀的γ-氧化铝纳米膜，而且在干燥的同时，喷嘴1的火焰2也同步完成了对纳米γ-氧化铝纳米膜的烧结过程。这种γ-氧化铝纳米膜孔径为3-5nm，可用于液体的超滤和气体的分离。

[0026] 实施例2

[0027] 将多孔金属钛管清洗，除去浮尘、油渍等污染物，烘干固定于载体运动机构上，将以钛酸丁酯为原料制备的氧化钛溶胶倒入储液罐6中(如附图2)，启动载体运动机构，使多孔金属钛管3以500转/分钟的转速连续旋转，利用热喷嘴1产生的火焰2使载体表面定温度控制在250℃左右，打开气阀，利用高压空气将喷嘴5处的液滴快速雾化成雾状液滴4喷涂在旋转的多孔金属氧化钛管3的内表面，在载体3的内表面形成一层液膜，在旋转的载体某一局部表面形成的超薄膜层立即被同步快速干燥，2分钟后在多孔金属钛管3的内表面得到了膜厚均匀的氧化钛纳米膜，孔径约为3nm，可用于空气的净化和光催化。

[0028] 实施例3

[0029] 将玻璃平板清洗，除去浮尘、油渍等污染物，烘干固定于载体运动机构上，以10cm/sec.的速度水平移动。将氧化钛溶胶倒入储液罐6中(如附图3)，启动空压机，利用压缩空气将喷嘴5处的液滴快速雾化成雾状液滴4喷涂在匀速移动的玻璃平板3表面，在载体3表面形成一层膜层。调节热喷嘴的火焰大小，使载体表面温度达到150℃，负载于表面的膜层同时被干燥形成干燥的均匀膜层，1分钟后在玻璃平板表面得到了膜厚均匀的氧化钛膜层。这种负载纳米氧化钛膜层的玻璃片，具有光催化降解空气中有机污染物等自洁净功能。

[0030] 实施例4

[0031] 将陶瓷片清洗，除去浮尘、油渍等污染物，烘干固定于载体运动机构上，以20cm/sec.的速度水平移动。将氧化钛溶胶倒入储液罐6中(如附图4)，启动空压机，利用压缩空气将喷嘴5处的液滴快速雾化成雾状液滴4喷涂在陶瓷片3表面，喷雾成膜的同时，热喷嘴的火焰2秒钟后，在载体表面形成一膜层。调节热喷嘴1的火焰2将陶瓷片加热到200℃，快速将热陶瓷片表面的液膜干燥形成膜层，同时热喷嘴的火焰能进一步将干燥的氧化钛膜烧结。45秒钟后，在载体表面形成了一层均匀的纳米氧化钛膜。这种负载纳米氧化钛膜的陶瓷片有良好的自洁净和抑菌功能。