CC BY
2
УДК 621.039.332: 66.081.6; 666.3.046.4; 66-933.6 Попека В В., Аверина Ю.М.
АНАЛИЗ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ГИДРОФОБИЗАЦИИ КЕРАМИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПОСРЕДСТВОМ ЭЛЕКТРОГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО РАСПЫЛЕНИЯ И МИКРОВОЛНОВОЙ ОБРАБОТКИ
Попека Владимир Владимирович, студент 2-го курса магистратуры факультета инженерной химии e-mail: [email protected]
Аверина Юлия Михайловна, к.т.н., доцент кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, 125190, Москва, Миусская пл., 9
Процесс гидрофобизации керамической поверхности по модели Касси-Бакстера требует использования специального оборудования из-за особенностей электрогидродинамического распыления и сохранения структуры распылённого паттерна. Для успешного производства требуется комбинация методов нанесения и постобработки с системой гибридного позиционирования этих инструментов и обрабатываемой детали. Ключевые слова: керамические мембраны, мембранная дистилляция, гидрофобная поверхность
ANALYSIS OF EQUIPMENT FOR HYDROPHOBIZATION OF CERAMIC SURFACE BY ELECTROHYDRODYNAMIC SPRAYING AND MICROWAVE
Popeka V.V., Averina Yu.M.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The process of hydrophobization of the ceramic surface according to the Cassiе-Baxter model requires the use of special equipment due to the characteristics of electro-hydrodynamic spraying and preservation of the structure of the sprayed pattern. A successful production requires a combination of application and post-processing methods with a hybrid system for positioning these tools and the workpiece.
Keywords: ceramic membranes, membrane distillation, hydrophobic surface
Для исполнения любой задачи необходим правильный инструмент - это верно для всех отраслей производства или науки. Так же это верно для процесса мембранной дистилляции и производства оборудования для неё. Особенно если это затрагивает попытки сделать гидрофильную керамическую поверхность гидрофобной. Гидрофобизация керамической поверхности в соответствии с моделью Касси-Бакстера достаточно требовательный к оснащению процесс. Нанесённый на керамическую поверхность паттерн должен отвечать определённым свойствам - размеру отдельных частиц, последовательному расстоянию между ними и их высоте. Технология электрогидродинамического распыления (рис.1) может покрыть поверхность подложки слоем сравнимых по размеру капель керамической суспензии, но дальнейшее механической воздействие на эту подложку может нарушить паттерн напыления и нивелировать результаты.
Nozzle Pendant drop
Electric charge
-H.V.
4 [jm>jf*
i Cone-jet
Это делает подбор оборудования для такой задачи не самым простым делом. Необходимо закрепить нанесённую суспензию на поверхности подложки без ее перемещения в печь для обжига. Одним из вариантов решения этой задачи является использование гибридного ЭБ-принтера или статичного аппарата с возможность защиты сопла EHDP при процессе микроволнового спекания (рис.2).
Рис. 1. Схема электрогидродинамической печати [1]
Рис. 2 Система Ambit производства компании Hybrid Manufacturing Technologies
Гибридные принтеры отличаются от своих более стандартных коллег по цеху возможностью смены насадки на системе позиционирования. Именно возможность использовать несколько инструментов на таком оборудовании может обеспечить относительно быстрое нанесения гидрофобного слоя на керамическую поверхность, его термическую обработку и готовый к дальнейшей сушке продукт.
E-jet распыление в этом случае необходимо дополнить магнетроном и обеспечить оптимальный режим его работы для сушки и частичного обжига нанесённого паттерна. Эта система может существовать как в форм-факторе ЭБ-принтера, так и принять конвейерную форму для увеличения объёмов производства и сокращения времени на него. Поскольку в данном случае нет необходимости спекать гидрофобный слой, то мощность микроволнового излучения может быть ниже рекомендованных для керамики 1.6-1.8 кВт. Наиболее предпочтительно использовать оборудование мощностью от 0.9 до 1.1 кВт и, при необходимости, гибридный нагрев. Последнего можно достичь размещением в непроницаемом для микроволнового излучения корпусе источника тепла или использовать сетку-токоприёмник в кожухе аппарата [2].
Однако остаётся ещё одна нерассмотренная проблема в таком аппарате, а именно - возможность быстро покрыть гидрофобным слоем обе стороны керамической подложки. Данный шаг не всегда необходим при мембранной дистилляции и в основном зависит от структуры мембраны и расположения горячих/холодных фаз приёма [Э]. Необходимость по отдельности обрабатывать каждую сторону после процесса спекания является чрезмерно затратной по времени процедурой и может привести к образованию дефектов в мембране. Выполнение же этой операции при «закреплённом» гидрофобном слое может привести к его повреждению из-за трения о рабочую область аппарата. В данном случае использование 5-ти осевого гибридного принтера может не только расширить возможности производственного процесса, но и позволить изменить форм-фактор существующих плоских керамических мембран для мембранной дистилляции.
5-ти осевой принтер отличается от ЭБ-принтера возможностью использовать ещё для оси при работе. В наиболее простом исполнении это исполняется в добавлении механизма позиционирования платформе рабочего пространства принтера (рис. Э). Развитием этой идеи для производства может быть замена платформы рабочей камеры на условные подвижные захваты для керамической подложки -некое подобие ЧПУ станка или CNC системы. В теории, производственный процесс может заключаться в установке подложки в данные захваты, нанесении гидрофобного слоя и его обработке каждой стороны и дальнейшем
извлечении для помещения в аппаратуру для окончательного спекания нанесённой керамики. Существование и промышленное применение схожих по функциональных особенностям аппаратов существенно снижает затраты на разработку оборудования для изготовления гидрофобных керамических мембран и их новых форм-факторов.
г \Ял
Рис. 3 Прототип 5-осевого принтера [4]
Выводы:
1. Гидрофобизация керамической поверхности по модели Касси-Бакстера возможна только при специальной постобработке нанесённого паттерна.
2. Применение гибридных систем позиционирования в комбинации с микроволновым спеканием может снизить или свести к нулю вероятность повреждения порядка нанесённого паттерна из-за механического воздействия
3. Возможно применение 5-осевой системы позиционирования или СКС системы для оптимальной гидрофобизации обеих сторон мембраны.
Список литературы
1. Sibel Korkut, Dudley A. Saville and Ilhan A. Aksay Electrohydrodynamic Printing (EHDP)
2. Microwave Fast Sintering of Ceramic Materials. Romualdo R. Menezes, Pollyane M. Souto and Ruth H.G.A. Kiminami
3. Abdullah Alkhudhiri, Naif Darwish, Nidal Hilal. Membrane distillation: A comprehensive review
4. 0yvind Kallevik Grutle 5-axis 3D Printer University of Oslo
