СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОПОРИСТЫХ ЯЧЕИСТЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2009 года по МПК C04B38/06 C04B35/103 

Предлагаемое изобретение относится к химической технологии высокопористых керамических изделий с ячеистой структурой, которые могут использоваться в качестве носителей блочных катализаторов для проведения каталитических жидкофазных гетерогенных процессов, фильтров для фильтрации загрязненных жидкостей и газов, насадки для массо- и теплообменных процессов, теплоизоляционных материалов и для других целей.

Известен способ изготовления высокопористых ячеистых материалов (см. патент РФ №2233700, приоритет от 11 июня 2002 г. Состав шихты для высокопористого материала с сетчато-ячеистой структурой для носителей катализаторов. / А.И.Козлов, Е.С.Лукин). Их получают на основе смеси инертного наполнителя и активного к спеканию порошка оксида алюминия с добавками любых оксидов металлов II и IV групп таблицы Д.И.Менделеева в любом количестве с добавкой связующего с последующей сушкой изделий, выжиганием органической основы и обжигом керамического каркаса в интервале температур 1450-1500°С. Используемая для пропитки полимерной матрицы керамическая суспензия имеет низкую вязкость и высокую текучесть, что позволяет равномерно наносить ее на полимерную матрицу. Невысокая наполненность суспензий приводит к низкой прочности высокопористого материала после обжига.

К недостаткам способа относятся низкая прочность на сжатие (не превышает 1 МПа) и сравнительно невысокая открытая пористость (85…92%) ячеистых керамических материалов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ изготовления высокопористых ячеистых керамических изделий, выбранный в качестве прототипа (см. патент РФ №2294317, приоритет от 14 октября 2004 г. Способ изготовления высокопористых ячеистых керамических изделий. / А.И.Козлов, А.Ф.Куимов, Е.С.Лукин, Н.В.Ходов) и позволяющий повысить открытую пористость ячеистых керамических изделий до 93…95% при сохранении прочности до 1,5…2,0 МПа. Полимерную матрицу (из полиуретана) после пропитки шликером, состоящим из инертного наполнителя в виде электроплавленного корунда или смеси электроплавленного корунда и карбида кремния и дисперсного порошка оксида алюминия с добавками оксидов металлов (II и IV групп таблицы Д.И.Менделеева), подвергают отжатию избытка шликера, сушке для удаления влаги и придания прочности, обработке алюмозолем (или хлоридом алюминия без или с введением элементов активных добавок при рН 4,0±0,2) с последующей дополнительной сушкой, обжигом.

Недостатком известного способа изготовления высокопористых ячеистых керамических изделий является недостаточно высокая его прочность на сжатие (до 1,5…2,0 МПа).

Техническим результатом, на достижение которого направлен заявляемый способ, является изготовление высокопористых ячеистых керамических изделий с более высокой прочностью на сжатие при сохранении той же открытой пористости.

Для достижения указанного технического результата в предлагаемом способе изготовления высокопористых ячеистых керамических изделий полиуретановую матрицу любой геометрической формы пропитывают шликером, состоящим из инертного наполнителя - электроплавленного корунда или смеси электроплавленного корунда, карбида кремния, дисперсного порошка оксида алюминия с добавками оксидов металлов (II и IV групп таблицы Д.И.Менделеева) и раствора поливинилового спирта (ПВС). Избыток шликера отжимают. После сушки, обжига получают высокопористое ячеистое керамическое изделие (α-Al₂O₃) с открытой пористостью не ниже 70…95%. Изделие модифицируют, пропитывая его алюмозолем (γ-Al₂O₃) при рН 4,0±0,2), сушат, обжигают при температуре 1550°С. Далее изделия пропитывают высокомолекулярным спиртом, подсушивают и проводят пиролиз высокомолекулярного спирта при температуре 350…550°С в среде инертного газа, высаживая при этом на поверхности изделий пиролитический углерод до 10 мас.% от массы изделия. При этом образуется высокоразвитая открытая поверхность покрытия керамического ячеистого изделия (при очень высоком соотношении площади поверхности к объему), микропористость доходит до 30% и выше. Увеличивается прочность на сжатие до 2,5 МПа.

Составы и свойства образцов высокопористых ячеистых керамических изделий, полученных по предложенному способу, приведены в примерах.

Пример 1. Образец из полиуретана пропитывают при комнатной температуре шликером, состоящим из инертного наполнителя - электрокорунда (50 мас.% дисперсность 24 мкм), дисперсного порошка оксида алюминия (дисперсность 2…3 мкм) с добавками оксидов II и IV групп таблицы Д.И.Менделеева (Al₂O₃+MgO, 40 мас.%) и раствора поливинилового спирта, отжимают избыток шликера, сушат при температуре 100…110°С в течение 2,0…2,5 часов. После сушки, обжига получают высокопористое ячеистое керамическое изделие (α-Al₂O₃) с открытой пористостью не ниже 70…95%. Высушенный и обожженный образец обрабатывают алюмозолем (содержание γ-Al₂O₃ 24,65 мас.%, динамическая вязкость 4,77 Па·с, плотность 1,278 г/см³) при рН 4,0, дополнительно сушат, обжигают при температуре более 1500°С, после пропитывают высокомолекулярным спиртом (поливинловым спиртом - продуктом щелочного омыления поливинилацетата с массовым содержанием твердого 4,5%), подсушивают и проводят пиролиз высокомолекулярного спирта при температуре 350…550°С в среде инертного газа (без доступа воздуха), например азота, высаживая при этом на поверхности изделий пиролитический углерод до 10 мас.% от массы изделия. Свойства полученного высокопористого ячеистого керамического изделия: кажущаяся плотность - 0,30 г/см³; открытая пористость - 93,2%; открытая пористость перемычек между ячейками - 27%; прочность на сжатие - 2,2 МПа.

Пример 2. Образец из полиуретана пропитывают при комнатной температуре шликером, состоящим из инертного наполнителя - электрокорунда (35 мас.% дисперсность 24 мкм) и карбида кремния (15 мас.%), дисперсного порошка оксида алюминия (дисперсность 2…3 мкм) с добавками оксидов II и IV групп таблицы Д.И.Менделеева (Al₂O₃+TiO₂+ZrO₂, 42 мас.%) и раствора поливинилового спирта, отжимают избыток шликера, сушат при температуре 100…110°С в течение 2,0…2,5 часов. После сушки, обжига получают высокопористое ячеистое керамическое изделие (α-Al₂O₃) с открытой пористостью не ниже 70…95%. Высушенный и обожженный образец обрабатывают алюмозолем (содержание γ-Al₂O₃ 24,65 мас.%, динамическая вязкость 4,77 Па·с, плотность 1,278 г/см³) при рН 4,0±0,1, дополнительно сушат, обжигают при температуре более 1500°С, после пропитывают высокомолекулярным спиртом (поливинловым спиртом - продуктом щелочного омыления поливинилацетата с массовым содержанием твердого 4%), подсушивают и проводят пиролиз высокомолекулярного спирта при температуре 350…550°С в среде инертного газа (без доступа воздуха), например азота, высаживая при этом на поверхности изделий пиролитический углерод до 8,0 мас.% от массы изделия.

Свойства полученного высокопористого ячеистого керамического изделия: кажущаяся плотность - 0,33 г/см³; открытая пористость - 94%; открытая пористость перемычек между ячейками - 26%; прочность на сжатие - 2,5 МПа.

Пример 3. Образец из полиуретана пропитывают при комнатной температуре шликером, состоящим из инертного наполнителя - электрокорунда (25 мас.%, дисперсность 24 мкм) и карбида кремния (25 мас.%), дисперсного порошка оксида алюминия (дисперсность 2…3 мкм) с добавками оксидов II и IV групп таблицы Д.И.Менделеева (Al₂O₃+TiO₂+MgO, 41 мас.%) и раствора поливинилового спирта, отжимают избыток шликера, сушат при температуре 100…110°С в течение 2,0…2,5 часов. После сушки, обжига получают высокопористое ячеистое керамическое изделие (α-Al₂O₃) с открытой пористостью не ниже 70…95%. Высушенный и обожженный образец обрабатывают алюмозолем (содержание γ-Al₂O₃ 24,65 мас.%, динамическая вязкость 4,77 Па·с, плотность 1,278 г/см³) при рН 4,0±0,2, дополнительно сушат, обжигают при температуре более 1500°С, после пропитывают высокомолекулярным спиртом (поливинловым спиртом - продуктом щелочного омыления поливинилацетата с массовым содержанием твердого 4,25%), подсушивают и проводят пиролиз высокомолекулярного спирта при температуре 350…550°С в среде инертного газа (без доступа воздуха), например азота, высаживая при этом на поверхности изделий пиролитический углерод (до 9,0 мас.% от массы изделия), получаемый в результате пиролиза высокомолекулярного спирта в среде инертного газа (без доступа воздуха), например азота, при температуре 350…550°С. Свойства полученного высокопористого ячеистого керамического изделия: кажущаяся плотность - 0,32 г/см³; открытая пористость - 93,6%; открытая пористость перемычек между ячейками - 26,5%; прочность на сжатие - 2,3 МПа.

Применение предлагаемого изобретения позволяет получить высокопористое ячеистое керамическое изделие полифункционального назначения с высокоразвитой открытой поверхностью покрытия (при очень высоком соотношении площади поверхности к объему) с микропористостью до 30% и выше. При этом увеличивается прочность на сжатие до 2,5 МПа.

Полученное высокопористое ячеистое керамическое изделие может найти широкое применение в конструкциях фильтров для фильтрации загрязненных жидкостей и газов, в изготовлении насадок для массо- и теплообменных процессов, при создании новых теплоизоляционных материалов и для других целей.

После нанесения каталитически активного компонента на поверхность приготовленного высокопористого ячеистого керамического изделия катализатор может быть использован в различных каталитических газофазных и жидкофазных химических процессах.

Предлагаемое изобретение относится к химической технологии высокопористых керамических изделий с ячеистой структурой, которые могут использоваться в качестве носителей катализаторов, фильтров, насадки для массо- и теплообменных процессов, высокотемпературных теплоизоляционных материалов и т.д. Полиуретановую матрицу ячеистой структуры любой геометрической формы пропитывают шликером, состоящим из инертного наполнителя - электроплавленного корунда или смеси электроплавленного корунда и карбида кремния, дисперсного порошка оксида алюминия с добавками оксидов металлов II и IV групп таблицы Д.И.Менделеева и раствора поливинилового спирта (ПВС). Изделие высушивают, обжигают и получают блочное керамическое изделие (α-Al₂O₃) с открытой пористостью не ниже 70-95%. Изделие пропитывают алюмозолем γ-Al₂O₃ при рН 4,0±0,2, дополнительно сушат, обжигают при температуре 1550°С и более. Далее изделие пропитывают высокомолекулярным спиртом и проводят его пиролиз в среде инертного носителя, например азота, при температуре 350-550°С, высаживая на поверхности изделий пиролитический углерод. Массовое содержание углерода в изделии составляет до 10%. Технический результат изобретения - образование высокоразвитой поверхности покрытия ячеистого керамического изделия (микропористость доходит до 30% и выше), увеличение прочности на сжатие до 2,5 МПа.

Способ изготовления высокопористых ячеистых керамических изделий путем пропитки полимерной матрицы шликером, состоящим из инертного наполнителя - электроплавленного корунда или смеси электроплавленного корунда и карбида кремния, дисперсного порошка оксида алюминия с добавками оксидов металлов II и IV групп Таблицы Д.И.Менделеева и раствора поливинилового спирта, с последующими сушкой, обжигом и обработкой раствором алюмозоля при рН 4,0±0,2 с последующими дополнительной сушкой и обжигом при температуре более 1500°С, отличающийся тем, что изделия пропитывают высокомолекулярным спиртом, подсушивают и проводят пиролиз высокомолекулярного спирта при температуре 350-550°С в среде инертного газа, высаживая при этом на поверхности изделий пиролитический углерод до 10 мас.% от массы изделия.