CC BY
54
УДК 666.3.016:522.648.24:541
Россохина Л.А., Пашков О.Д., Вартанян М.А.
ПОЛУЧЕНИЕ ВЫСОКОПОРИСТЫХ ЯЧЕИСТЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ПОДЛОЖЕК ДЛЯ ХИМИЧЕСКОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ (ОБЗОР)
Россохина Людмила Анатольевна, студентка 1 курса магистратуры кафедры химической технологии керамики и огнеупоров, e-mail: rossohina.lyudmila@mail.ru;
Пашков Олег Дмитриевич, студент кафедры химической технологии керамики и огнеупоров; Вартанян Мария Александровна, к.т.н., доцент, доцент кафедры химической технологии керамики и огнеупоров Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047 Москва, Миусская пл., 9
Исследование свойств и синтез керамических высокопористых ячеистых материалов являются многообещающими направлениями в области неорганического материаловедения. Рассмотрены основные методы получения данных материалов и их роль в качестве катализатора или их носителя.
Ключевые слова: керамические высокопористые ячеистые материалы (ВПЯМ), реологические свойства.
OBTAINING HIGHLY POROUS CELLULAR CERAMIC SUBSTRATES FOR CHEMICAL METALLIZATION (REVIEW)
Rossokhina L.A., Paramonova N.D., Vartanyan M.A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Research of properties and synthesis of ceramic high-porous cellular materials are promising directions in the field of inorganic materials science. The main methods of obtaining these materials and their role as a catalyst or carrier are considered.
Keywords: ceramic high-porous cellular materials (HPCM), rheological properties.
Высокопористые ячеистые керамические материалы (ВПЯМ) используются в разных отраслях химической технологии, выполняя такие производственные цели, как распределение и выравнивание газовых потоков, очистка промышленных газов от примесей, передача тепла от одной среды к другой в процессе теплообмена и следует упомянуть создание композиционных материалов. Но в большинстве своем ВПЯМ интересуются именно в качестве катализатора или его носителя [1]. Для устранения недостатков в материале используют химическую металлизацию. Метод подразумевает нанесение слоя металлического покрытия на поверхность образца. Металлы из растворов локализуются на поверхности, где образуются зародыши металлического слоя из-за высокого значения энергии в дефектной области неоднородной поверхности. От области применения зависит какое именно будет наноситься покрытие, например, химическое серебрение [2]. Благодаря металлизации ВПЯМ сохраняет открытую пористость, не изменяя свои эксплуатационные свойства.
Существует несколько способов получения высокопористых ячеистых материалов:
1. Использование узкофракционных зерен наполнителя при минимальном содержании керамической связки;
2. Золь-гель процессы;
5.
6.
7.
Получение материалов из волокон; Введение в массу добавок, сохраняющие поры, с последующим их удалением (испарением, возгонкой, растворением, выжиганием);
Вовлечение воздуха в суспензию или расплав с дальнейшим закреплением образовавшихся пузырьков; Образование в суспензии или расплаве пузырьков газа, полученные в результате химической реакции взаимодействия или разложения вводимых добавок; Введение в исходную массу определенного пористого наполнителя природного или искусственного происхождения; Вспучивание в ходе термической обработки всей массы или отдельных ее составляющих; Фазообразование в процессе спекания, связанное с увеличением пористости;
10. ЭБ-печать керамических изделий простой и сложной формы - воспроизведение макропористой структуры с помощью аддитивных технологий;
11. «Жертвенная» форма - метод применяется для изделий полимерных форм с поровой структурой с определенной геометрией технологией шликерного литья, в котором можно получить различные технологические элементы, создавая абсолютно неразъемную
9.
жертвенную форму, с последующим ее удалением при обжиге или растворении.
Самый распространенный метод получения высокопористых ячеистых керамических материалов - метод дублирования полимерной матрицы. Метод заключается в приготовление суспензии керамического порошка в водном растворе органического вещества, нанесение суспензии на подложку из пенополиуретана (ППУ), имеющий поровую структура с определенным размером ячеек, затем сушка заготовки с последующей термической обработкой при 160 - 180 °С и в заключении удаление органического вещества термодеструкцией и спекание образца (рис.1).
Рис.1. Микроструктура ячеистой керамики
Для основы (матрицы), на которую будет наноситься керамическая суспензия, идеально подходит пенополиуретан (рис.2), так как он обладает нужными свойствами для получения ВПЯМ, такими как: хорошие адгезионные свойства, стойкость в агрессивных средах и отсутствие набухания. Перед использованием ППУ обрабатывают с целью увеличения адгезии суспензии к матрице для образования равномерного слоя [3].
I
Рис.2. Внешний вид ППУ матрицы с диаметром ячейки 5
мм
Главное составляющее для получения ВПЯМ -это шликер, который формирует в готовом изделии каркас материала. Эта же стадия является наиболее уязвимой и несовершенной, из-за которой, в конечном итоге, появляется брак продукции. Даже небольшое отклонение от технологии приготовления шликера приведет к снижению прочности спеченного керамического материала. Для получения шликера, удовлетворяющий свойствам:
устойчивость суспензии во времени, ее текучесть при максимальном содержании твердой фазы, -используют два вида суспензий: высоковязкие суспензии с ньютоновским характером течения; тиксотропные суспензии на основе реологических добавок с большим интервалом между максимальной и минимальной вязкостью.
Тиксотропную суспензию, образованную при смешивании водорастворимой связки и керамического порошка, с бингамовским характером течения можно равномерно нанести ячеистую заготовку, благодаря низкой вязкости и высокой текучести. Поэтому необходимо увеличивать вязкость с целью закрепления керамического пласта на матрице и получения прочного керамического каркаса [4]. При этом в процессе производства ВПЯМ очень важно достичь, как сохранение в готовом образце поровой структуры исходных ППУ-каркасов, так и набор прочности за счет спекания частиц. Отметим, что подбор вида и концентрации пластификатора, а также содержание твердой фазы в шликере тщательно исследованы в работе [5].
На заключительной стадии получения ВПЯМ необходимо проводить ступенчатый обжиг, чтобы удалялась связка и выжигалась пенополиуретановая матрица, обеспечивая получение материалов с необходимыми свойствами (высокая пористость и прочность) и структурой (сетчато-ячеистой, повторяющая исходную полиуретановую матрицу). В работах [6,7] детально и подробно показано, как получить высокопористую ячеистую керамику методом дублирования полимерной матрицы (рис.3):
Рис.3. Микроструктура ВПЯМ с увеличением в 30 раз при температуре обжига 1500 °C
Анализируя информацию выше, можно сделать вывод, что существует много методов получения высокопористых ячеистых керамических
материалов. В зависимости от необходимых свойств и в каких отраслях производства они применимы, используют различные методы их получения. Соблюдая технологическую цепочку получения ВПЯМ, соотношения твердой фазы и связующего в приготовлении шликера, проводя обжиг с постепенным удалением связки и ППУ, можно добиться создания керамического материала с высоким показателем открытой пористости и механической прочности.
Список литературы
1. Анциферов В.Н., Порозова С.Е. Высокопористые проницаемые материалы на основе алюмосиликатов. Пермь: ПГТУ, 1996.207 с.
2.Вансовская К.М. Металлические покрытия, нанесенные химическим способом/ Под ред. П.М. Вячеславова - Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1985 - 103с.
3.Анциферов В.Н., Макаров А.М., Порозова С.Е. О применении катализаторов на основе высокопористых керамических материалов // Журнал прикладной химии. 1993. Т. 66. №2. С. 449451.
4. Акиншин Д.В., Парамонова Н.Д., Россохина Л.А., Вартанян М.А., Яровая О.В. Реологические свойства концентрированных водных суспензий на основе оксида алюминия // Успехи в химии и химической технологии. 2017. Т. 31. №3. С. 7-9.
5. Игнатенкова В.В., Беспалов А.В., Грунский В.Н., Белова И.А. Реологические свойства корундового шликера для изготовления ячеистых материалов // Химическая промышленность сегодня. 2011. №1. С. 1Э-17.
6. Грунский В.Н., Беспалов А.В., Гаспарян М.Д. и др. Высокопористые проницаемые ячеистые керамические материалы с использованием шликера на основе алюмосиликатных связующих // Огнеупоры и техническая керамика. 2012. №4-5. С. 45-48
7. Грунский В.Н., Беспалов А.В., Гаспарян М.Д. и др. Каркасные и структурные характеристики высокопористых проницаемых ячеистых керамических материалов с использованием шликера на основе алюмосиликатных связующих // Огнеупоры и техническая керамика. 2012. №4-5. С. 8-12.
