CC BY
56
УДК 666.405.8
М. О. Сенина*, А. И. Захаров
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 , корп. 1 * e-mail: [email protected]
ПОРИСТЫЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ СО СЛОЙСТОЙ СТРУКТУРОЙ
Получены образцы, представляющие собой керамические цилиндры из электроплавленного глинозема марок F-360 и F-600 с дисперсной связкой. Определена толщина стенок полученных образцов, пористость и структура материала, проницаемость материала.
Ключевые слова: керамика, пористый материал, структура, проницаемость.
Керамические изделия и материалы класса пористой керамики должны обладать повышенной пористостью (обычно более 30 %), которую, как правило, создают преднамеренно [1]. Поры могут занимать от нуля до 90 % общего объема изделий [2]. Из всего многообразия характеристик структуры материала одними из наиболее важных являются количественные значения
показателей, характеризующих поровую
структуру материала. Для характеристики порового пространства керамики были введены и наиболее часто применяют следующие понятия: общая пористость, открытая и закрытая пористость, капиллярная и проницаемая пористость, эффективная и канальная пористость, фактор лабиринта и фактор структуры, величина пор и их распределение по размерам, средний размер пор, удельная поверхность, газопроницаемость, водопроницаемость [3]. Из указанных характеристик важнейшими являются пористость, форма и размер пор. Размер пор в керамических телах изменяется в широких пределах от долей нанометров до нескольких миллиметров. Форма пор сложна и весьма разнообразна: закрытые, открытые проницаемые, открытые тупиковые. В керамике различного назначения роль строения неодинаковы. В проницаемых фильтрующих изделиях активное поровое пространство образуют только сообщающиеся каналообразные поры. Важной физической характеристикой пористых материалов является их проницаемость, т. е. способность пропускать газы или жидкости при наличии перепада давления. Нет простой зависимости между пористостью и проницаемостью, поскольку последняя определяется не столько пористостью, сколько геометрией поровой структуры керамики. Из термических свойств, зависящих от пористости, наиболее важными представляются термическая стойкость и постоянство в службе при высоких температурах. Высокопористая керамика весьма чувствительна к термическим ударам, что связано с ее низкой теплопроводностью и малой
прочностью по сравнению с плотными изделиями при равном значении ТКЛР [1].
Изделия из пористой керамики находят широкое применение в промышленности, например, при производстве керамических фильтров. Керамические фильтры обладают невысокой прочностью, поэтому для ее повышения стенки патронов (или толщину пластин дисков, плит) изготовляют достаточно значительной (6 -10 мм и больше). Однако при этом увеличивается сопротивление
фильтра. Керамические фильтрующие
элементы, имеющие обычно форму полых цилиндров, дисков, плит применяют, как правило, в виде готовых изделий, получаемых в процессе производства керамических фильтрующих материалов. Чаще всего, фильтрующие элементы этого типа изготавливают в виде полых цилиндрических втулок и труб, не имеющих днищ, или в виде цилиндрических стаканов, имеющих с одной стороны сплошной днище (либо плоское, либо выпуклое). Длина патронов обычно составляет от 0,5 до 1,2 м, диаметр от 50 до 80 мм; общая пористость от 35 до 55 % [4].
Целью исследования было получение тонких пористых слоев и изучение пористой структуры и проницаемости материала.
Для сравнения пористости и проницаемости образцы изготовлялись из шликеров с различными размерами частиц твердой фазы. А именно, в качестве твердой фазы использовались порошки электроплавленного глинозема марок Б-360 и Б-600 размером частиц 80 мкм и 30 мкм соответственно с добавлением дисперсной связки. В качестве дисперсной среды использовался 5 % раствор поливинилового спирта (ПВС). Исходный шликер имел соотношение жидкой и твердой фазы как 35 к 65.
Формование производилось методом шликерного литья. С целью получения градиентной структуры материала и разной проницаемости от слоя к слою образцы формовались из разных шликеров послойно.
Был проведен дифференциально-термический (ДТ) и термогравиметрический (ТГ) анализы (рис.1), по результатам которых установлен режим обжига.
1111 мш 1111 I!!! 1111 11 ¡¡II ¡¡¡1 ¡¡II ¡111 1111 ¡¡¡1 11111 —=:--
¡¡¡ийвиши 1 III 1 III ! III
----
———————ъ——————
Ш1 мы ш п ¡1 Ш III 1 II III -|1| 1 ¡1 Ш ¡1 1 II III ¡11 1 II III III 1 II ¡¡1 II 1 II III II 1 II III II 1 Ш" 1 ;ш ш п 1 п ш п 1 п ш ш 1 п щ ш 1 ПН III 1111 1 1111 III ни 1111 шип 1111 III 1111
щ \шт 1 ШИШ II1 ИНИН II 1 МНИМ II 1 1М11М1 II НППП II ШИШ II ШИП III ШШШ1П
1 III 1 III 1 ш 1 II 1!!! 1 III 1 III
Рис.1. Результаты ДТ и ТГ анализов
В ходе работы были получены образцы в виде одно- и двухслойных керамических трубок. В табл. 2 представлены результаты огневой усадки полученных образцов двухслойных образцов.
По данным табл.1 можно судить о том, что материал претерпевает большие усадки, что может приводить к образованию трещин и разрушению образцов. Для устранения усадок необходимо проводить медленную сушку полуфабриката.
На рис. 2 представлен снимок однослойного образца, полученный с помощью электронного микроскопа Толщина стенки образца составляет 390 мкм. Размеры пор - от 4 до 10 мкм.
Следующим этапом исследования являлось изучение проницаемости. Способность покрытия к всасыванию изучали, используя разработанную ранее методику [5], заключающуюся в
определении зависимости количества
всасываемой жидкости из капилляра, подведенного к поверхности образца, от времени. Использование данной методики позволяет оценить уровень открытой пористости (водопоглощения) по углу наклона прямолинейного участка зависимости
всасываемого объема жидкости от корня квадратного времени всасывания (т1/2). Зависимости объема поглощенной воды от времени всасывания керамическими образцами, полученными из шликера на основе порошков Б-360 и Б-600, изображены на рис. 3.
Табл. 1
Параметры огневой усадки
Номер Толщина стенки, Усадка, %
образца мкм
до после
обжига обжига
1 560 490 12,5
2 700 600 14,3
3 770 560 27,3
4 840 560 33,3
5 760 490 35,8
6 910 490 46,2
7 910 420 53,9
Рис.2. Фотография стенки образца
Из данной зависимости можно сказать о том, что скорость всасывания жидкости полученных образцов может регулироваться размером зерна исходного корунда, используемого для приготовления шликера.
Таким образом, модифицированным способом шликерного литья были получены тонкостенные проницаемые образцы на основе корунда, на основе которых можно разработать многослойные материалы для фильтрующих элементов
30 мкм 80 мкм
Т1'2, С
Рис.3 График скорости всасывания воды в образцы.
Сенина Марина Олеговна студент кафедры химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Захаров Александр Иванович к.т.н., доцент кафедры химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Химическая технология керамики: Учеб. Пособие для вузов/ Под ред. Проф. И.Я. Гузмана.-М.:ООО РИФ «Стройматериалы», 2003.-496 с., ил.
2. Кащеев И. Д., Стрелов К. К., Мамыкин П. С. Химическая технология огнеупоров - М.: «Интермет инжиниринг», 2007. - 752 с.
3. Стрелов, К. К. Структура и свойства огнеупоров - М. : Металлургия, 1982. - 207 с.
4. Мировые водные технологии [Электроннывй ресурс]. - Режим доступа: http://wwtec.ru/index.php ( дата обращения: 14.05.2014)
5. Захаров А. И., Карнаущенко И. А. Изучение однородности поверхности керамических полуфабрикатов и изделий методом капиллярного всасывания// Стекло и керамика. - 2008. -№10. - С.37-40.
Senina Marina Olegovna*, Zakharov Alexander Ivanovich
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. *e-mail: [email protected]
POROUS CERAMIC MATERIAL WITH LAYER STRUCTURE
Abstract
Prepared samples representing ceramic cylinders made of electrofused alumina make F-360 and F-600 with disperse igament. Studied the wall thickness of prepared samples, porosity and structure of the material, permeability of the material.
Key words: ceramic porous material, structure, permeability, thin-walled form
10
15
20
