Магистерская работа

Пористая керамика в настоящее время приобретает все большее значение в различных областях техники и технологии. Ее применение осуществляется в двух главных направлениях.

Первым является теплоизоляция, при этом решающим являются теплоизоляционные свойства, т. е. коэффициент теплопроводности и теплозащита; при этом в случае использования материалов для летательных аппаратов значение имеет еще и кажущаяся плотность.

Вторым направлением являются области, где решающим свойством материала являются его пористая структура и связанные с ней свойства, главным образом размеры пор и обусловливаемая ими проницаемость, удельная поверхность и т. п. В этом случае теплопроводность вообще не имеет значения либо играет второстепенную роль. Пористые огнеупорные материалы применяются в тех случаях, когда процессы фильтрации, распределения газов, пропитка пористых сред, нанесение электролитов, электрохимические процессы и т. п. проводятся при высоких температурах, когда другие материалы оказываются непригодными.

В некоторых случаях пористые материалы должны обладать электроизоляционными свойствами, химической стойкостью в агрессивных средах, в том числе различных газах, при высоких температурах, обладать соответствующими ядерными характеристиками и др. Теплоизоляционные огнеупоры (например, ультралегковес) могут использоваться и в качестве звукоизоляции.

Из многообразия требований, предъявляемых к пористой керамики, следует актуальность поиска методов, позволяющих получать материал с заранее заданными свойствами – прочностью, структурой и размерами пор. Кроме того, метод получения пористой керамики должен быть простым и экономически выгодным.

Методы получения пористой керамики

Сейчас наиболее распространены следующие способы получения пористой проницаемой керамики:

- использование монофракционных составов исходных сырьевых материалов;

- метод вспенивания;

- метод выгорающих добавок.

- метод химического порообразования.

Метод выгорающих добавок.

Метод основан на введении и последующем выжигании горючих добавок. Огнеупорный материал смешивают с твердыми выгорающими органическими веществами, оформление изделий осуществляется пластическим формованием, полусухим прессованием или литьем.

В качестве выгорающих добавок используют любые твердые горючие материалы, применение которых экономически целесообразно, в том числе древесные опилки разных пород, древесный уголь, древесную муку, различные виды каменных углей – бурый, антрацит, битуминозный, термоантрацит, продукты коксования – кокс, нефтяной кокс, пековый кокс, смолы, гудрон, горючие сланцы, графит, торф, а также ряд других материалов – пробковую и бумажную пыль, просяную и рисовую шелуху, мякину, овсяную полбу, пшенную и манную крупу, полотую ветошь, рубленую солому разных злаков, сажу, шлакоотсевы, волос а также лигнин.

Шамотные легковесные огнеупоры обычно изготавливают пластическим способом или способом полусухого прессования.

Глину предварительно измельчают в глинорезке, сушат, а затем вторично измельчают в дезинтеграторе. Шамот подвергают тонкому помолу. Выгорающие добавки дробят и просеивают.

После компоненты дозируют и смешивают в бегунах или лопастном смесителе. Далее массу прессуют в коленно-рычажном прессе. Сформованные изделия подвергают сушке и обжигу (рис.1)..

Рис.1. Технологическая схема производства шамотных легковесов способом выгорающих добавок при полусухом прессовании

Метод пенообразования

Сущность метода заключается в смешении суспензии огнеупорного материала с пенообразователем или отдельно приготовленной пеной, образованной при механической обработке водных растворов некоторых поверхностно активных веществ. Одной из коренных проблем пенокерамической технологии является получение стойкой и прочной пены, которая бы не разрушалась при смешивании с суспензией и выдерживала ее давление.

Образованию пены способствуют следующие факторы:

- низкое поверхностное натяжение на границе раздела жидкость-воздух, содействующее образованию тонких пленок;

- наличие определенной вязкости жидкости, противодействующей разрыву возникающих пленок;

- образование неоднородных по составу пограничных слоев, при этом должно иметь место явление адсорбции.

В качестве пенообразователей применяют: канифольное мыло, сапонино-альдегидный и алюмо-сульфонафтеновый пенообразователи, гидролизную кровь (пенообразователь ГК).

Шамотный пенолегковес изготавливают из шихты, которая состоит из 10 весовых частей молотой глины, 90 частей молотого шамота и 3 частей опилок.

Пену готовят из разбавленной канифольно-клеевой эмульсии. Полученную пену с плотностью 0,05 г/см3 смешивают со шликером, имеющим кажущуюся плотность 1,68-1,74 г/см3 и влажность 26%. Полученную пеномассу с плотностью 0,85-0,95 г/см3 заливают в металлические формы, сушат в камерных сушилках до влажности не более 2% и обжигают. Для придания изделиям точных размеров их подвергают механической обработке (рис.2).

Рис.2. Технологическая схема производства шамотных легковесных изделий по способу пеннобразования

Метод химического порообразования.

Метод основан на вспучивании массы газом, выделяющимся при химических реакциях взаимодействия или разложения присутствующих или специально введенных добавок.

Образование пористой отливки при химическом порообразовании складывается из нескольких последовательных процессов, главными из которых являются химическое взаимодействие с образованием газовых пузырьков, их расширение и перемещение, фиксация ячеистой структуры.

Анализ исследований процессов химического порообразования позволяет сгруппировать эти процессы следующим образом по типам используемых реакций:

а) между карбонатами и кислотами с выделение углекислого газа;

б) между основаниями, кислотами и солями;

в) между металлами и кислотами или основаниями с выделением водорода;

г) между органическими соединениями, сопровождающиеся газовыделением;

д) окисления или разложения, протекающие в расплавах;

е) разложение карбонатов, перекисей, силоксанов.

Керамзит. Для производства керамзита используют легкоплавкие глинистые породы, обладающие склонностью к вспучиванию при быстром обжиге.

Глину дробят, затем в лопастных смесителях смешивают с добавками, на вальцах массе придают форму и обжигают во вращающейся печи. После обжига изделия дробят на вальцах и , рассеивая через сито-бурат разделят на фракции (рис.3).

Рис.3. Производство керамзита методом химического пенообразования.

Совершенствование метода получения пористой керамики

Основным из способов получения пористых керамических материалов является монофракционный способ. Однако пористость получаемого таким образом материала во многих случаях недостаточна.

Каждый из способов получения пористой проницаемой керамики: наряду с положительными сторонами имеет существенные недостатки: при использовании метода вспенивания и химического порообразования - низкая проницаемость из-за преимущественно закрытой пористости, при использовании метода выгорающих добавок– неравномерность пористой структуры, связанная со сложностью распределения компонентов по объему шихты.

Нами была сделана попытка усовершенствовать метод выгорающих добавок. Для уменьшения указанного выше недостатка в качестве выгорающего компонента нами использовалась пенополиуретановая губка (поролон). Выбор это материала определялся тем, что существующая технология получения пенополиуретана позволяет в достаточно широких пределах управлять образованием направленной структуры пористости с размерами пор от нескольких микрометров до 2-3 миллиметров. Мы ожидаем, что отработка технологии получения пористой фильтрующей керамики позволит переносить структуру пенополиуретана на керамический материал.

В работе нами готовился керамический шликер путем тонкого помола минеральных частиц в воде. Размер минеральных частиц не превышал 40-50 микрометров. В качестве минерального вещества использовались шамот и глина, в качестве связки в одном случае использовалась глина, в другом случае – жидкий силикат натрия. Процентное содержание глины и силиката натрия в различных опытах различалось. Шликер готовился таким образом, чтобы его вязкость обеспечивала хорошую пропитываемость всего объема образцов пенополиуретана и качественное формирование пленки керамической массы на поверхности структуры выгорающей добавки - пенополиуретана.

Для опытов бралась пенополиуретановая губка трех видов: с размером пор 0,1 мм, 0,5 мм и 2мм.

Губка пенополиуретана пропитывалась керамическим шликером, избыток шликера удалялся из губки путем отжатия, однократно или многократно, в зависимости от структуры пенополиуретана. После этого образцы подвергались сушке и обжигу.

Процесс сушки образцов не вызывал трудности из-за их высокой удельной поверхности, и проницаемости пор. Максимальная температура обжига зависела от состава керамической массы и применяемого связующего и составляла 1200 – 1300°С.

После обжига были получены керамические образцы с пористой структурой, характеризующейся структурой, аналогичной структуре пенополиуретана. Однако образцы, полученные на основе пенополиуретана с размером пор 0,1 мм, имеют сплошную пустотность внутри объема, что свидетельствует о плохой пропитываемости пенополиуретана керамическим шликером.

Механическая прочность образцов составляет: для образцов на глинистой связке 5-8 МПа, а для образцов на жидком силикате натрия – 3-5 МПа, что свидетельствует о недостаточном количестве связки (10%) во втором случае.

Плотность образцов, полученных на пенополиуретане с размером пор 0,1 мм нами не определялась из-за их пустотелости. Плотность образцов, полученных на пенополиуретане с размером пор 0,5 мм, составила 0,15-0,21 г/см3 , а для образцов на пенополиуретане с размером пор 2 мм – 0,09 – 0,15 г/см3.

Пористость полученных образцов составляет: для образцов с размером пор 0,5 мм – 90-93%; для образцов с размером пор 2 мм – 93-96%.

Полученные в исследованиях результаты позволяют предложить принципиальную технологическую схему производства пористой керамики (рис.4)

Рис 4.

Для упрощения технологии и уменьшения транспортных затрат представляется целесообразным максимально скомпоновать процессы получения пенополиуретана и получения пористой керамики таким образом, чтобы получаемая из мономера пенополиуретановая лента сразу же поступала на технологическую линию производства пористой керамики.

Технологическая схема получения пористой керамики представлена на рис.1.

Пенополиуретановая лента (1) по конвейеру подается в ванну (2), где пропитывается шликером. Для более полного проникновения шликера в поры пенополиуретана лента несколько раз обжимается роликами (3). Избыток шликера удаляется окончательным отжатием на валках (4).

Пропитанная шликером пенополиуретановая лента поступает в щелевую печь, где происходят процессы сушки и обжига.. Перемещение в печи осуществляется по опорным роликам.

Процессы сушки и обжига не вызывают трудностей благодаря высокой удельной поверхности и проницаемости пор.

Максимальная температура обжига зависит от состава керамической массы и применяемого связующего и составляет 1200 – 1300°С.

Обожженный керамический материал разрезается фрезами на блоки необходимых размеров, которые затем по транспортеру поступают на склад готовой продукции.

Заключение

Таким образом практически доказана возможность формирования пористой проницаемой керамики с определенной пористой структурой, копирующей структуру пенополиуретана, являющимся выгорающим материалом при получении керамического тела. Возможность использования этого метода для других составов керамических масс и связующих веществ позволит значительно расширить область применения пористой проницаемой керамики в качестве фильтрующих элементов в различных технологиях: очистка минеральных вод, инъекционных жидкостей и т.п.

Перечень ссылок

1. Ефимова В.В., Беломеря Н.И. ПОЛУЧЕНИЕ ПОРИСТОЙ ПРОНИЦАЕМОЙ КЕРАМИКИ С ЗАДАННОЙ СТРУКТУРОЙ / Тези доповідей на І Міжнародній науковій конференції студентів і аспірантів"Хімія і сучасні технології", Дніпропетровськ, 26-28 травня 2003

2. Ефимова В.В., Беломеря Н.И. ФИЛЬТРУЮЩАЯ КЕРАМИКА С ЗАДАННОЙ СТРУКТУРОЙ / Тези доповідей на II Міжнародній науковій конференцiї студентів та аспірантів "Охорона навколишнього середовища та рацiональне використання природних ресурсiв", Донецьк, 2003.

3. Беломеря Н.И., Мнускина В.В. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТХОДОВ ПЕРЕРАБОТКИ БУРЫХ УГЛЕЙ.

4. Горлов Ю.П. Керамические и акустические материалы Москва, 1976.

5. Горяйнов К.Э и др. Технология минеральных теплоизоляционных материалов и легких бетонов. Москва, 1976

6. Мороз И.И. Технология строительной керамики. Киев, 1980

7. Кайнарский И.С., Дегтярева Э.В., Орлова И.Г. Корундовые огнеупоры и керамика, Москва, 1981

8. Стрелов К.К., Мамыкин П.С. Технология огнеупоров, Москва, 1978

9. Гузман И.Я. Высокоогнеупорная пористая керамика. Москва, 1971