CC BY
46
УДК 666.3.7:539.2.6
А.В. Беляков, Зо Е Мо У, Н.А. Попова, Йе Аунг Мин*
Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 *e-mail: chemical.romancee@gmail.com
ВЛИЯНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ФАРФОРОВОЙ СВЯЗКИ НА СВОЙСТВА ПОРИСТОЙ КЕРАМИКИ ИЗ ЭЛЕКТРОПЛАВЛЕННОГО КОРУНДА
Исследованы образцы пористой керамики на основе электроплавленного корунда (ЭПК) с размером частиц 0,5 мм и связкой из фарфора. Изучены составы с различными соотношениями ЭПК / связка, мас.%: 90/10, 93/7, 95/5, 97/3 и 99/1. Образцы прессовали под давлением 25 и 50 МПа и обжигали при 1350 и 1450 °С. Предел прочности при изгибе спеченных образцов составил от 1,1 до 9,8 МПа, открытая пористость - от 22 до 33 %. Полученная пористая проницаемая керамика перспективна для использования в виде фильтров и подложек керамических мембран.
Ключевые слова: керамика, открытая пористость, прочность, зернистые порошки, электроплавленный корунд, керамические фильтры.
Керамические пористые материалы, являющиеся частью класса неорганических теплоизоляционных и проницаемых материалов, играют важную роль в современной технике и применяются в двух главных направлениях. Первым является теплоизоляция и теплозащита. Пористые материалы могут быть использованы в качестве теплоизоляции и теплозащиты благодаря высокой пористости и значительно меньшей теплоемкости, тепло- и температуропроводности, чем у плотных материалов. Вторым направлением применения являются области, где решающим свойством материала является его пористая структура и связанный с нею свойства, главным образом размеры пор, проницаемость, удельная поверхность. Важнейшими процессами, проводимыми с применением пористой керамики, являются фильтрация, адсорбция, аэрация, диффузия, электролиз. Обычно эти процессы проводят при комнатной температуре, однако иногда их необходимо производить при весьма высоких температурах в агрессивных средах. В этом случае важно учитывать такие свойства материала, как теплоёмкость, тепло- и температуропроводность, прочность и химическая стойкость[1 3].
Цель данной работы - получение пористой проницаемой керамики на основе
электроплавленного корунда (ЭПК) со связкой из фарфора и исследование ее свойств в зависимости от содержания связки. Для использования в качестве фильтрующего элемента, особенно подходящий пористый материал с узким распределением пор по размерам и средний размер пор 4 6 мкм [4].
В качестве наполнителя использовали электроплавленный корунд Б20 (размер частиц 0,5 мм). В качестве связки применяли порошок фарфора (гжельская фарфоровая масса марки ПФЛ-1, далее фарфор). Для получения образцов пористой
проницаемой керамики с улучшенными фильтрующими свойствами и достаточной для условий эксплуатации прочностью исследовали составы с соотношением «ЭПК / фарфор», мас.%: 90/ 10, 93 / 7, 95 / 5, 97 / 3 и 99 / 1. При формовании образцов давление прессования составляло 25 и 50 МПа, максимальная температура обжига керамических заготовок была 1350 и 1450 °С. У спеченных образцов определяли открытую пористость, плотность и механическую прочность по методикам, описанным в [5].
Высушенную гжельскую фарфоровую массу ПФЛ-1 1, 3, 5, 7 и 10(мас. %) смешивали с наполнителем сухим способом в корундовом барабане с корундовыми мелющими телами в течение определенного времени, соотношение мелющие шары : материал = 1 : 1. Суммарное время смешивания шихты составляло 3 ч. После смешивания и введения временной технологической связки получали порошковую формовочную массу, из которой прессовали образцы. В качестве временной технологической связки использовали водный раствор поливинилового спирта (5 мас. %). Временную технологическую связку вводили в количестве 7 % от массы шихты.
Раствор поливинилового спирта добавляли небольшими порциями к сухой смеси компонентов при непрерывном перемешивании. Увлажненную тщательно перемешанную массу подвергали дополнительной гомогенизации, протирая ее через сито № 3. Из полученных формовочных масс прессовали балочки длиной 40мм, высотой 7.5мм и шириной 6.5мм обжигали их при 1350 и 1450 °С в печи с нагревателями из хромита лантана на воздухе. Нагрев образцов осуществляли по режиму, представленному на рисунке (1).
Кривая обжига керамических материалов{1350/1450 °С )
1350/1450
выдежка 2 ч
О
о
700
Рис. 1. Режим обжига образцов, максимальная температура 1350 и 1450 °С
Результаты определения керамических свойств и предела прочности при изгибе образцов, отпрессованных под давлением 25 и 50 МПа и обожженных при 1350 °С, представлены в табл. 1. С увеличением содержания добавки фарфора открытая пористость образцов (Потк) уменьшалась от 33 - 31 до 23 - 22 %. Плотность керамики (р) возрастала при увеличении содержания добавки фарфора при всех давлениях прессования. Из образцов, спеченных при 1350 °С, максимальную открытую пористость 33 % с прочностью при изгибе оизг 1,1 МПа показали образцы с соотношением ЭПК/фарфор равным 99 / 1, спрессованные под давлением 25 МПа. Максимальная открытая прочность при изгибе 9,3 МПа с пористостью 22 % с соотношением 90 / 10 фракций ЭПК (0.5мм) и связка из фарфора , спрессованные под давлением 50 Мпа (табл. 1).
Результаты определения керамических свойств и предела прочности при изгибе образцов, отпрессованных под давлением 25 и 50 МПа и обожженных при 1450 °С, представлены в табл. 2. С увеличением содержания добавки фарфора открытая
Таблица 1. Керамические свойства образцов, изготовленных при давлениях прессования 25 и 50 МПа и обожженных
пористость Потк уменьшается от 33 - 30 до 22 - 21 %. Плотность материала возрастает при увеличении содержания добавки фарфора при всех давлениях прессования. Из этих материалов, спеченных при 1450 °С, максимальную открытую пористость 33 % с прочностью при изгибе оизг 1,5 МПа показали образцы с соотношением ЭПК/фарфор равным 99 / 1, спрессованные под давлением 25 МПа. Максимальная открытая прочность при изгибе 9,8 Мпа с пористостью 22 % с соотношением 90 / 10 фракций ЭПК (0.5мм) и связка из фарфора, спрессованные под давлением 50 МПа (табл. 2). Выводы:
Проведенная работа показала, что пористую проницаемую и достаточно прочную керамику, перспективную для фильтров и подложек мембран, возможно изготовить спеканием на воздухе при температурах 1350 - 1450°С из электроплавленного корунда Б-20 и связки из фарфора.
Соотношение ЭПК / фарфор, мас.% Давление прессования , МПа Открытая пористость,% Р г / см3 ^изг? МПа
99 / 1 50 31 2.65 3,4
25 33 2.59 1,1
97 / 3 50 30 2.71 4,8
25 31 2.62 2,5
95 / 5 50 28 2.74 6,6
25 30 2.67 3,5
93 / 7 50 25 2.85 8,6
25 25 2.85 4,0
90 / 10 50 22 2.88 9,3
25 22 2.91 4,5
Таблица 2. Керамические свойства образцов, изготовленных при давлениях прессования 25 и 50 МПа и обожженных
при температуре 1450 °С.
Соотношение ЭПК / фарфор, мас.% Давление прессования , МПа Открытая пористость , % Р , 3 г / см ^из^ МПа
99 / 1 50 30 2.69 4,1
25 33 2.55 1,5
97 / 3 50 28 2.78 5,8
25 30 2.68 2,6
95 / 5 50 26 2.80 7,4
25 28 2.73 3,7
93 / 7 50 25 2.86 9,0
25 25 2.85 4,0
90 / 10 50 22 2.90 9,8
25 22 2.90 5,4
А. В. Беляков, Д. х. н.профессор, заведующий кафедры химической тенхологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.
Зо Е Мо У, докторант с кафедры химической тенхологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.
Попова Н.А, старщий преподаватель с кафедры технологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.
Йе Аунг Мин*, аспирант с кафедры химической тенхологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.
Литература
1. Гузман, И. Я. Высокоогнеупорная пористая керамика / И. Я. Гузман. М. : Металлургия, 1971. 283 с.
2. Беркман, А. С. Пористая проницаемая керамика / А. С. Беркман. М. : Стройиздат, 1969. 170 с.
3. Андрианов, Н. Т. Химическая технология керамики: учеб. пособие для вузов / Н. Т. Андрианов, В. Л. Балкевич, А. В. Беляков [и др.]. М. : ООО РИФ «Стройматериалы», 2011. 496 с.
4. 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. :ОООРИФ «Стройматериалы», 2005. 336 с.
5. 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.
Belyakov .A.V, Zaw Ye Maw Oo, Popova N.A, Ye Aung Min* D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
*email - chemical.romancee@gmail.com
EFFECT OF PORCELAIN BINDERS CONTENT ON PROPERTIES OF POROUS CERAMICS FROM ELECTROFUSION CORUNDUM
Abstract
Porous ceramics studied samples based on electrofused corundum (EFC) with a particle size of 0.5 mm and a binder of porcelain. Studied composition with different ratios of EFC / binder, wt.%: 90/10, 93/7, 95/5, 97/3 and 99/1. The samples were pressed under the pressure 25 and 50 MPa and fired at 1350 and 1450 °C. The flexural strength of sintered samples ranged from 1,1 to 9,8 MPa, open porosity - from 22 to 33%. The resulting porous permeable ceramic is promising for use as filters and ceramic membrane supports.
Key words: ceramics, open porosity, strength, granular powders, fused-cast corundum, ceramic filters.
