ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТОГО КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2002 года по МПК C04B35/16 C04B38/00 

Изобретение относится к керамическому материаловедению, в частности к получению пористой проницаемой керамики для изготовления керамических фильтрующих элементов.

Одним из методов получения пористой керамики является спекание наполнителей определенной дисперсности со связующими веществами (Смирнова К.А. Пористая керамика для фильтрации и аэрации. - М.: Стройиздат, 1968. - 196 с. ; Беркман А.С., Мельникова Н.Г. Пористая проницаемая керамика. - Л.: Стройиздат, 1969. - 141 с.; Пугин B.C. Пористые проницаемые материалы. - Киев: Наукова Думка, 1970; Красулин Ю.Л., Тимофеев С.М., Баринов С.М. Пористая конструкционная керамика. - М.: Металлургия, 1980. - 100 с.).

Для увеличения пористости керамики в некоторых случаях вводят выгорающие или газообразующие добавки. Регулируя дисперсность порошков, количество связующих и добавок, получают керамический материал с различной пористостью и проницаемостью.

Размер пор - это основная характеристика фильтрующих материалов, определяющая проницаемость и механическую прочность. Однако в отношении характера этой зависимости нет единого мнения, так как размер и форма частиц наполнителя, а также количество связки в значительной степени определяют формирование пористой структуры и требует экспериментального подтверждения.

Известна шихта для получения пористого керамического материала, содержащая оксид алюминия и смесь порошков карбида кремния и одного из оксидов из ряда: CaO, MgO, MnO, NiO, ZrO при соотношении SiC : МеО, равном 2:1, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Оксид алюминия и смесь порошков карбида кремния и одного из оксидов из ряда CaO, MgO, MnO, NiO, ZrO при соотношении SiC : МеО, равном 2:1 - 95 - 99
(Патент РФ, 2033987, С 04 В 35/10, опубл. БИ 12 от 30.04.95 г.)
Предлагаемый состав обеспечивает получение пористой прочной и термостойкой керамики за счет образования определенного фазового состава и структуры материала.

Недостатком данного состава является получение общей пористости в пределах 35-41% и отсутствие значений проницаемой пористости, определяющей фильтрационные возможности пористых изделий. Кроме того, искусственно созданные компоненты шихты значительно увеличивают стоимость изделий, являются инертными, что требует высокой температуры спекания (1450-1500^oС) и нецелесообразно в случае реализации в промышленных условиях получения крупногабаритных фильтрующих элементов.

Известна масса для изготовления пористой фильтрующей керамики, включающая наполнитель из группы: шамот, корунд, фарфор, стекло, а также глину, гидрофилизированный графит и водорастворимую органическую связку, при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
Глина - 0,5 - 45,0
Органическая связка - 0,1 - 7,0
Гидрофилизированный графит (в пересчете на сухое вещество) - 0,5 - 50,0
Шамот, корунд, фарфор, стекло - Остальное
Масса отличается тем, что содержит наполнитель с размером частиц менее 5 мкм (заявка РФ, 94040010, С 04 В 38/00, заявл.26.10.94, опубл. БИ 31 от 10.11.96).

Пористые керамические фильтрующие элементы, полученные из массы, имеют средний размер пор 2,4-4,0 мкм и проницаемую пористость 23-38%.

Недостатком известной массы является то, что малая величина пор с большим гидравлическим сопротивлением требует значительных перепадов давления по толщине стенки, значения которых находятся на грани предела прочности используемых керамических материалов, и может быть использована как мембранный слой на толстостенном элементе.

Наиболее близким к заявляемому объекту по решаемой технической задаче - прототипом - является масса для изготовления пористой, фильтрующей керамики, включающая монофракционный электрокорунд, или шамот, или их смесь в соотношении 1: 1 фракций: 630-800, 500-630, 400-500, 315-400. 250-315, 200-250, 160-200, 125-165 мкм, а в качестве глинистого компонента содержит натриевый монтмориллонит, в качестве органической связки декстрин или поливинилацетатную дисперсию при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Указанный монофракционный электрокорунд, или шамот, или их смесь в соотношении 1:1 - 69 - 78
Натриевый монтмориллонит - 21 - 30
Органическая связка - 1 - 5
(авт. св. 1654290, С 04 В 38/00 заяв. 15.08.88 г., опубл. БИ 21, 07.06.91).

Предложенная масса позволяет увеличить гидравлический диаметр пор на 4-150 мкм, а проницаемость на 6-190 Пм².

Недостатком известной массы является высокое содержание натриевого монтмориллонита, который в значительной мере снижает эффективный радиус пор, характерный для каждой монофракции и общую пористость, что определяет проницаемость фильтрующей керамики.

Задачей авторов является разработка шихты для изготовления пористого, проницаемого, керамического материала, обеспечивающей достижение цели изобретения - повышение проницаемости при выбранном фракционном составе наполнителя.

Поставленная цель достигается, в отличие от известной массы, тем, что она содержит в качестве фракционированного наполнителя дистен-силлиманит, с природной формой частиц и мелкодисперсную смесь, с размером частиц 2-5 мкм, дистен-силлиманита и натриевого монтмориллонита при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
Дистен-силлиманитовый наполнитель - 60 - 70
Мелкодисперсная смесь - 30 - 40
Сульфатно-спиртовая бражка (ССБ) сверх 100% - 7
причем содержание натриевого монтмориллонита в мелкодисперсной смеси составляет 15-20%.

Сущность заявляемого технического решения заключается в следующем:
- использование в качестве фракционированного наполнителя дистен-силлиманита с природной формой частиц, имеющих высокую плотность, окатанную форму с минимальной шероховатостью, приводит к снижению гидравлического сопротивления фильтруемой среды и повышению проницаемости;
- присутствие дистена увеличивает открытую и проницаемую пористость вследствие увеличения объема при переходе более плотного кианита тригональной структуры в ромбический муллит с менее плотной упаковкой;
- мелкодисперсная смесь введена в виде частиц 2-5 мкм, имеющих высокую поверхностную энергию, способствующих процессу уплотнения, а натриевый монтмориллонит при температурах плавления смачивает крупные частицы наполнителя и образует в местах их контакта перешейки с определенным радиусом закругления, что способствует уменьшению гидравлического сопротивления в этих макроструктурных зонах;
- сульфатно-спиртовая бражка введена в качестве временной технологической связки и предназначена для гомогенного распределения мелкодисперсной компоненты по поверхности фракционированного наполнителя и выполнения процесса формования.

Пример изготовления шихты
Дистен-силлиманит естественного происхождения рассеивали на виброситах и отбирали монофракционный наполнитель заданного размера.

Для приготовления мелкодисперсной смеси дистен-силлиманит измельчали в вибромельнице до величины частиц 2-5 мкм.

Идентичную операцию проводили с натриевым монтмориллонитом.

Полученные мелкодисперсные компоненты смешивали для получения гомогенной смеси расчетного состава в Z-образной мешалке в течение 20 мин.

Из подготовленных компонентов изготавливали пресс-массу. Схема изготовления пресс-массы во всех вариантах была идентична и состояла в следующем: загружали в смеситель дистен-силлиманитовый наполнитель заданной монофракции и добавляли 30% сульфатно-спиртовой бражки (ССБ), перемешивали в течение 10 мин, добавляли мелкодисперсную смесь и оставшееся количество ССБ от расчетного содержания и смешивали в течение 20 мин. Общее количество ССБ составляло 7% от сухой массы порошков.

Подготовленную массу формовали двусторонним однократным прессованием в металлической пресс-форме при давлении 20 МПа, превышение которого нецелесообразно из-за разрушения крупных фракций наполнителя.

Отформованные образцы спекали в воздушной среде при температурах 1200÷1300^oС. Примеры составов и фильтрационных свойств приведены в таблице.

При сравнении известной и предлагаемой шихты проницаемость керамики для среднего фракционного наполнителя (200-250 мкм) увеличивается на 10-20 Пм², а для фракций наполнителя 60-80 мкм в 1,5-2 раза.

Состав шихты, ее компоненты легко реализуются на практике с применением оборудования и процессов, применяемых в керамической промышленности.

Учитывая, что природные материалы дешевле искусственно синтезированных, стоимость получаемой керамики, по предварительным оценкам, снижается в 1,5-2 раза.

Конкретные оценки могут быть уточнены при массовом производстве конкретного вида продукции.

Изобретение относится к керамическому материаловедению, в частности к получению пористой, проницаемой керамики для изготовления керамических фильтрующих элементов. С целью повышения проницаемости керамического материала шихта содержит в качестве фракционированного наполнителя 60-70 мас.% дистен-силлиманита с окатанной формой частиц и 30-40 мас.% мелкодисперсной смеси с размером частиц 2-5 мкм, дистен-силлиманита и 15-20 мас.% натриевого монтмориллонита. Стоимость полученных материалов из указанного природного сырья в 1,5-2 раза ниже аналогичных, искусственно синтезированных. 1 табл.

Шихта для получения пористого керамического материала, включающая фракционированный керамический наполнитель, натриевый монтмориллонит и технологическую связку, отличающаяся тем, что в качестве керамического наполнителя она содержит частицы окатанной формы дистен-силлиманита и мелкодисперсную смесь с размером частиц 2-5 мкм, включающую 15-20% натриевого монтмориллонита и дистен-силлиманит, в качестве связки - сульфатно-спиртовую бражку, при следующем соотношении компонентов, мас%:
Дистен-силлиманитовый наполнитель - 60 - 70
Мелкодисперсная смесь - 30 - 40
Сульфатно-спиртовая бражка сверх 100% - 7