CC BY
18
УДК 666.3/.7:539.2/.6
Зо Е Мо У, А. В. Беляков, Н.А.Попова, Йе Аунг Мин,
ПОРИСТАЯ ПРОНИЦАЕМАЯ КЕРАМИКА С НАПОЛНИТЕЛЕМ ИЗ ТРЕХФРАКЦИОННОГО ЭПК И ФАРФОРОВОЙ СВЯЗОЙ
Зо Е Мо У, к. х. н. докторант с кафедры химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва. e-mail: zawYemawoo@gmail.com
А. В. Беляков, д. х. н. профессор, заведующий кафедры химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.
Н. А. Попова, старш. преп. кафедры химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.
Йе Аунг Мин, аспирант с кафедры химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, Д. 20
Изучены пористые проницаемые материалы, получаемык подбором зерновых составов с наполнителем из электроплавленного корунда (ЭПК) марок: F-180 (60 - 80 мкм); F-360 (20 - 40 мкм) и F-600 (10 - 20 мкм) c фарфоровой связкой из массы ПФЛ-1. Испытуемые образцы в виде балочек 60х15х5 мм и в виде дисков диаметром 20 мм и высотой 5 мм получали одноосным полусухим прессованием под давлением 25 МПа. Обжиг образцов проводили на воздухе при температурах от 1450 до 1500 °С. Открытая пористость испытуемых образцов изменялась от 39 до 45 %, предел прочности при изгибе - от 8,2 до 18,2 МПа и коэффицент газопроницаемости - от 0,81 до 1,45 мкм2. Полученная пористая проницаемая керамика перспективна для применения в виде фильтров и подложек керамических мембран.
Ключевые слова: открытая пористость, прочность, электроплавленный корунд, коэффицент газопроницаемости.
POROUS PERMEABLE CERAMIC WITH A FILLER OF THREE-FRACTION EFC AND PORCELAIN BINDER
Zaw Ye Maw Oo, Belyakov A.V., Popova N.A., Ye Aung Min D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
The porous permeable materials obtained by the selection of grain compositions with electrically fused corundum filler (EFC) grades: F-180 (60-80 ¡im); F-360 (20-40 ¡m) and F-600 (10-20 ¡m) with semi-porcelain binder. Test specimens in the form of beads 60x15x5 mm and in the form of disks with a diameter of 20 mm and a height of 5 mm were obtained by uniaxial semi-dry pressing under a pressure of 25 MPa. The samples were fired in air at temperatures from 1450 to 1500 ° C. The open porosity of the test samples varied from 39 to 45 %, the flexural strength varied from 8.2 to 18.2 MPa, and the coefficient of gas permeability from 0.81 to 1.45 ¡m2. The resulting porous permeable ceramic is promising for use as filters and substrates of ceramic membranes.
Key words: open porosity, flexural strength, electrofused corundum, coefficient of gas permeability.
Развитие новых областей техники потребовало создания материалов с высокими эксплуатационными параметрами. Одним из таких материалов является пористая керамика, которая наряду с достаточной проницаемостью, имеет высокоогнеупорные свойства. Такая керамика необходима для изготовления
высокотемпературных фильтров, диафрагм для электролитических процессов и продувки газами расплавленных металлов и сплавов, матриц для пропитки их катализаторами и электролитами для проведения химических и электрохимических реакций, керамических элементов для разделительных устройств и ряда других целей. Применяемая в различных отраслях промышленности высокоогнеупорная
проницаемая керамика должна удовлетворять все более возрастающими и усложняющимся
требованиям в отношении механической прочности при различных температурах; коррозионной стойкости к кислым и щелочным средам, расплавленным металлам и солям; химической чистоты. Кроме этого, пористая керамика должна иметь один или несколько определенных интервалов размеров пор и открытую, сообщающуюся пористость [1 - 3].
Целью данной работы является получение пористой проницаемой керамики из электроплавленного корунда (ЭПК) с фарфоровой связкой и исследование ее свойств в зависимости от содержания связки. Для применения в качестве фильтрующего элемента особенно подходят пористые проницаемые материалы с узким распределением пор по размерам и средний размер пор 4 - 6 мкм [4].
Для исследования были изготовлены образцы с наполнителями из трёхфракционных порошков ЭПК. В качестве связки использовали порошки фарфоровой массы (Гжельская фарфоровая масса марки ПФЛ-1 (ПФЛ -полуфарфор литейный) [5]. Высушенную фарфоровую массу (далее фарфор) смешивали с ЭПК сухим способом в корундовом барабане с корундовыми мелющими телами в течение 3 ч, соотношение мелющие шары на материал 1:1. Давление прессования заготовок составляло 25 МПа, а температуры их спекания 1450 и 1500 °С. Содержание связки из фарфора составляло 3 и 5 % сверх 100 % наполнителя.
Для композиционных составов были выбраны составы трех фракций ЭПК: крупной, средней и мелкой. В качестве временной технологической связки для приготовления формовочной массы использовали водный раствор поливинилового спирта (5 %). Временную
Свойства образцов из трёхфракционных порошков на основе ЭПК с фарфоровой связкой, обожженных при температуре обжига 1450 и 1500 °С, представлены в таблице 2. Анализ данных, приведенных в таблице 2, показывает, что при температуре обжига 1450 и 1500 °С в зависимости от соотношения фракций ЭПК (образцы 40/10/50 и 80/15/5 с фарфоровой связкой) газопроницаемость образцов, отпрессованных под давлением прессования 25 МПа, существенно различалась. Максимальную газопроницаемость (1,45 мкм2) показали образцы 40/10/50 со связкой из фарфора 3 %, обожженные при температуре обжига 1450 °С. Их открытая пористость составила 44 %, но прочность при изгибе была невелика (8,2 МПа). Более предпочтительны образцы 80/15/5 со связкой из фарфора 3 %, обожженные при температуре
технологическую связку вводили в количестве 7 % от массы шихты. Раствор поливинилового спирта добавляли небольшими порциями к сухой смеси компонентов при непрерывном перемешивании. Из полученных формовочных масс прессовали методом одноосного полусухого прессования балочки размером 60x15x6,5 мм и диски диаметром 20 мм и высотой 5 мм. Образцы сушили при температуре 80 °С в течение 24 ч. Затем образцы обжигали на воздухе в печи с нагревателями из хромита лантана. У спеченных образцов определяли открытую пористость (Потк), среднюю плотность (рср), прочность при 3-х точечном изгибе (оизг) и коэффициент газопроницаемости (Кгаз) по методикам, описанным в [6]. В таблице 1 приведены режимы прессования и обжига образцов, состоящих из смеси трёхфракционного наполнителя из электроплавленного корунда и фарфоровой связки.
спекания 1500 °С. Они имели газопроницаемость 0,91 мкм2, прочность при изгибе 13,4 МПа и открытую пористость 41 %.
В трёхфракционных смесях ЭПК (образцы 40/10/50) с фарфоровой связкой (3 и 5 % сверх 100 %) коэффициент газопроницаемости образцов изменялся от 0,91 до 1,45 мкм2. При повышении температуры спекания (с 1450 до 1500 °С) значительно возрастала их прочность. При 3 % связки прочность при изгибе увеличивалась от 8,2 до 8,6 МПа, а при 5 % от 8,8 до 9,4 МПа. Для образцов 80/15/5 с фарфоровой связкой (3 и 5 % сверх 100 %) коэффициент газопроницаемости образцов при повышении температуры спекания с 1450 до 1500 °С изменялся от 0,81 до 1,02 мкм2. При этом прочность при изгибе увеличивалась от 14,6 до 18,2 МПа при 5 % связки и от 10,7 до 13,4 МПа при 3 %.
Таблица. 1. Режимы обжига образцов, состоящих из смеси трёхфракционного наполнителя из электроплавленного корунда и фарфоровой связки и отпрессованных при давлении 25 МПа
Состав Наполнитель Упрочняющая связка Содержание связки сверх 100 % наполнителя Т обжига, (°С)
ЭПК (10 -20 мкм) (%) ЭПК (20 -40 мкм) (%) ЭПК (60 -80 мкм) (%)
1 40 10 50 Фарфор, ПФЛ-1 5 % 1450, 1500
2 40 10 50 Фарфор, ПФЛ-1 3 % 1450, 1500
3 80 15 5 Фарфор, ПФЛ-1 5 % 1450, 1500
4 80 15 5 Фарфор, ПФЛ-1 3 % 1450, 1500
Таблица. 2. Коэффициент газопроницаемости и керамические свойства трёхфракционных образцов со связкой из фарфора, изготовленных при давлении прессования 25 МПа и обожженных при температурах 1450 и 1500°С
Соотношение фракций наполнителя: ЭПК (10 - 20 мкм) / ЭПК (20 - 40 мкм) / ЭПК (60 - 80 мкм) Содержание связки сверх 100 % наполнителя Кгаз 2 (мкм ) П, отк? (%) R пор, (мкм) ^из^ (МПа) Т обжига, (°С)
40 / 10 / 50 Фарфор ПФЛ-1 5 % 1,12 43 1,92 8,8 1450
40 / 10 / 50 Фарфор ПФЛ-1 3 % 1,45 44 2,14 8,2 1450
80 / 15/5 Фарфор ПФЛ-1 5 % 0,85 44 1,67 14,6 1450
80 / 15/5 Фарфор ПФЛ-1 3 % 1,02 45 1,81 10,7 1450
40 / 10 / 50 Фарфор ПФЛ-1 5 % 0,91 39 1,83 9,4 1500
40 / 10 / 50 Фарфор ПФЛ-1 3 % 1,26 40 2,13 8,6 1500
80 / 15/5 Фарфор ПФЛ-1 5 % 0,81 39 1,78 18,2 1500
80 / 15/5 Фарфор ПФЛ-1 3 % 0,91 41 1,79 13,4 1500
В результате работы для трёхфракционных составов наполнителя из ЭПК установлено, что повышение прочности пористой керамики и снижение температуры обжига возможно с помощью активных к спеканию связок. Для исследованных составов прочность пористой керамики возрастала с увеличением содержания тонких фракций в наполнителе, повышении содержания связки и температуры обжига. Образцы из трёхфракционных составов наполнителя из ЭПК показали наиболее высокую прочность с фарфоровой связкой. При этом открытая проницаемая пористость образцов находилась в пределах 39 - 45 %. Выводы:
Применение в качестве наполнителя смеси трёх составов ЭПК ^-180; Б-360 и F-600) позволило изготовить проницаемую прочную керамику спеканием на воздухе при температурах 1450 - 1550 °С с упрочняющей связки из фарфора (3 или 5 % сверх 100 % по отношению к наполнителю). Полученные виды пористой керамики перспективны для использования в качестве фильтров и подложек керамических мембран, применяемых при высоких механических нагрузках.
Литература
1. Rice, R. W. Porosity of ceramics. New York: Marcel Dekker, Inc., 1998. 539 pp.
2. Hatsuki, S., Taro, S., Yoshihiro, H. Analysis of gas permeability of porous alumina powder compacts // Journal of Asian Ceramic Societies. 2013. Vol. 1. P. 368 - 373.
3. Toshihiro, I., Yoshikazu, K., Akira, N. Gas permeability and mechanical properties of porous alumina ceramics with unidirectionally aligned pores // Journal of the European Ceramic Society. 2007. Vol. 27. P. 53 - 59.
4. Беркман, А. С. Пористая проницаемая керамика. М. : Стройиздат, 1969. 170 с.
5. Viral: [сайт].URL:https://ceramgzhel.ru/katalog/kera micheskie-massyi/668.html
6. Андрианов, Н. Т. Практикум по химической технологии керамики: учеб. пособие для вузов / Н. Т. Андрианов, В. Л. Балкевич, А. В. Беляков [и др.]; под ред. И. Я. Гузмана. М.: ООО РИФ «Стройматериалы», 2005. 336 с.
