Способ изготовления высокопористого керамического материала с ячеистой структурой

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОПОРИСТОГО КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА С ЯЧЕИСТОЙ СТРУКТУРОЙ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(72) Авторы Сморыго Олег Львович Леонов Андрей Николаевич Марукович Александр Иванович Шелег Валерий Константинович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(57) Способ изготовления высокопористого керамического материала с ячеистой структурой, включающий изготовление заготовки требуемого размера из пенополиуретана, активацию пенополиуретановой заготовки, ее пропитку водной керамической суспензией,удаление излишков суспензии, сушку, выжигание пенополиуретанового каркаса и спекание, отличающийся тем, что пенополиуретановую заготовку активируют нанесением активационной суспензии, содержащей керамическую фазу, воду, низкомолекулярный спирт и водорастворимое производное целлюлозы при следующем соотношении компонентов, мас.вода 20-40 низкомолекулярный спирт 10-25 водорастворимое производное целлюлозы 0,1-1,0 керамическая фаза остальное,при этом активационную суспензию наносят в пересчете на сухой остаток в количестве(110), где- масса пенополиуретановой заготовки, и распределяют по внутреннему объему пенополиуретановой заготовки многократным обжатием. Изобретение относится к способам изготовления высокопористых керамических материалов с ячеистой структурой (пенокерамики) дублированием структуры пенополимеров и может быть использовано при производстве фильтров для очистки расплавов металлов, носителей катализаторов, фильтров для очистки воздуха от сажи, излучающих элементов радиационных горелок, пламепреградителей, тепловых экранов. Известные способы получения пенокерамики дублированием структуры ППУ 1-5 заключаются в следующем. Из пенополиуретана (ППУ) изготавливают заготовку требуемого размера, заготовку пропитывают керамической суспензией, содержащей воду, на 10102 1 2007.12.30 полнитель на основе оксидной или неоксидной керамики, связующие и реологические добавки. Излишки суспензии из заготовки удаляют любым известным способом (прокаткой в валках, продувкой сжатым воздухом, центрифугированием). В результате суспензия дублирует структуру ППУ - покрывает тонким слоем структурные элементы, формирующие ячейки ППУ (фиг. 1). Далее заготовку сушат, подвергают термообработке для выжигания ППУ каркаса и спекают. Полученная таким образом пенокерамика имеет открытую пористость 75-85 . Недостаток известных способов состоит в том, что из-за плохой смачиваемости гидрофобного ППУ водными керамическими суспензиями поверхность ППУ перемычек покрыта керамикой неравномерно, а острые кромки ППУ перемычек имеют или очень тонкое покрытие, или не покрыты (фиг. 2, а). В результате из-за большого числа дефектов спеченная пенокерамика имеет относительно невысокую прочность. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ (прототип) 6, включающий изготовление ППУ заготовки требуемого размера, активацию ППУ заготовки для придания гидрофильности ее внутренней поверхности, пропитку активированной ППУ заготовки водной керамической суспензией, удаление ее излишков,сушку, выжигание ППУ каркаса и спекание. Активация ППУ заготовки в способепрототипе представляет собой процесс, в котором на гладкую поверхность ППУ перемычек с помощью адгезива наносят слой волокна. В качестве адгезива используют раствор латекса, а в качестве материала волокон используют нейлон, хлопок, графит и т.п. На поверхность перемычек ППУ активационный состав наносят пропиткой или распылением,после чего заготовку сушат. Активационный слой является гидрофильным, что обеспечивает равномерность нанесения керамического покрытия на ППУ перемычки при дальнейших операциях (фиг. 2, б). Активационный слой выгорает при термообработке. Пенокерамика, полученная по способу-прототипу, имеет значительно меньше дефектов и, следовательно, повышенную прочность. Недостаток способа-прототипа состоит в том, что нанесенный активационный слой снижает открытую пористость пенокерамики до 35 . Кроме того, нанесение активационного слоя на ППУ перемычки - технологически достаточно сложная операция, так как требует применения специальных устройств - воздушного нагнетателя, устройства для создания электростатического заряда на ППУ заготовке или обоих устройств одновременно. Техническая задача, которую решает предлагаемое изобретение, заключается в активации ППУ без снижения открытой пористости конечного материала (пенокерамики) технологически простым способом. Поставленная задача решается следующим образом. Изготавливают ППУ заготовку требуемого размера. На ППУ заготовку наносят активационную керамическую суспензию, которая содержит (мас. ) воды - 20-40, низкомолекулярного спирта (этанола или метанола) - 10-25, водорастворимой производной целлюлозы (карбоксиметилцеллюлозы или метилцеллюлозы)0,1-1, керамический наполнитель - остальное. Количество активационной керамической суспензии, наносимой на ППУ заготовку, в пересчете на сухой остаток составляет (1-10)о, где о - масса ППУ заготовки. Активационную суспензию равномерно распределяют по внутреннему объему ППУ заготовки путем многократным обжатием. Далее активированную ППУ заготовку суша, термообрабатывают для выжигания ППУ каркаса и спекают. Активационную суспензию готовят следующим образом. Готовят водную керамическую суспензию, предпочтительно состава, использующегося затем для пропитки заготовки. В приготовленную керамическую суспензию добавляют производную целлюлозы,низкомолекулярный спирт и перемешивают в шаровой мельнице в течение 4 ч. После введения добавок керамическая суспензия становится пастообразной. Необходимую порцию активационной суспензии наносят на ППУ заготовку и равномерно распределяют по объему заготовки многократным обжатием на 50-90 любым известным способом, например 2 10102 1 2007.12.30 между двумя плоскопараллельными пластинами или в валках. В результате обеспечивается формирование равномерного относительно толстого активационного слоя керамики на поверхности перемычек ППУ, в том числе на острых кромках. Введение в состав керамической суспензии производной целлюлозы вместе с низкомолекулярным спиртом существенно улучшает смачиваемость активационной суспензией и повышает ее адгезию к поверхности перемычек ППУ без изменения состава и гранулометрии основной керамической суспензии. Количество добавок рассчитывается таким образом, чтобы в активирующей суспензии содержала (мас. ) воды 20-40, низкомолекулярного спирта 10-25, водорастворимой производной целлюлозы 0,1-1, остальное - керамический наполнитель. При меньшем содержании производных целлюлозы, при большей влажности основной керамической суспензии и большим содержании низкомолекулярных спиртов активационная суспензия остается текучей и острые кромки перемычек ППУ остаются непокрытыми. При большем содержании производных целлюлозы, при меньшей влажности основной керамической суспензии и меньшем содержании низкомолекулярных спиртов вязкость активационной суспензии становится слишком высокой, что затрудняет равномерное распределение ее по поверхности перемычек ППУ. Количество наносимой активирующей суспензии в пересчете на сухой остаток составляет (1-10)о, где о - масса ППУ заготовки. В этом диапазоне изменения активационного слоя обеспечивается достаточная высокая равномерность покрытия по всему объему ППУ заготовки. При меньшем количестве активирующей суспензии распределение по объему заготовки имеет островной характер, при большем - появляются закрытые поры ППУ заготовки. После активации заготовку сушат на воздухе при 100-150 С, термообрабатывают при 300-400 С и спекают. Температура спекания определяется составом керамики, нанесенной на перемычки ППУ. Предлагаемый способ лишен недостатков прототипа. Во-первых, активационный слой после сушки и выжигания органических компонентов не отличается по своим физикомеханическим свойствам от свойств основного керамического слоя, и поэтому его толщина не снижает открытую пористость пенокерамики. Во-вторых, нанесение активационного слоя технологически значительно проще аналогичной операции прототипа, так как не требует специального оборудования. Полученная по предлагаемому способу пенокерамика обладает открытой пористостью 75-85 и повышенной прочностью. Предлагаемый способ технологически прост и реализуется без применения специальных устройств. Пример 1. Готовят керамическую суспензию следующего состава (мас. ) порошок оксида алюминия со средним размером частиц 7 мкм - 55 , бентонит огланлинский -15 , триаммоний цитрат -0,1, спирт поливиниловый -0,1, вода - остальное. Затем готовят активационную суспензию в некоторую часть керамической суспензии добавляют порошок метилцеллюлозы из расчета 2,0 г и спирт этиловый из расчета 200 мл на 1 кг керамической суспензии и проводят перемешивание в шаровой мельнице в течение 4 ч. Из открытоячеистого ППУ с размером пор 2-3 мм изготавливают заготовки с линейными размерами 10710721,5 мм. На заготовку наносят 41 г активационной суспензии,которую затем равномерно распределяют по объему заготовки многократным обжатием между плоскопараллельными пластинками. Далее заготовки сушат в электрошкафу в течение 2 ч при 50 С и 2 ч при 110 С. После сушки активированную ППУ заготовку окунают в приготовленную ранее керамическую суспензию, отжимают в центрифуге течение 30 с при перегрузке 25. Затем заготовку сушат при 50 С в течение 4 ч и при 110 С течение 2 ч. Высушенную заготовку помещают в электропечь, нагревают со скоростью 5 С/мин до 350 С, выдерживают в те 3 10102 1 2007.12.30 чение 1 ч для термического разложения ППУ каркаса, затем нагревают со скоростью 5 С/мин до 1650 С и спекают в течение 1 ч. В результате получают изделия из пенокерамики с линейными размерами 10010020 мм с открытой пористостью 83 , которые можно использовать для очистки расплава стального литья. Пример 2. Готовят керамическую суспензию следующего состава (масс. ) молотый магнезит со средним размером частиц 20 мкм - 10, молотый тальк со средним размером частиц 10 мкм) - 9, каолин парфюмерный - 42, глина веселовская - 4 порошок глинозема со средним размером частиц 1 мкм - 2 натрия силикат - 0,1 вода - остальное. Затем готовят активационную суспензию в некоторую часть керамической суспензии добавляют порошок карбоксиметилцеллюлозы из расчета 2,5 г и спирт метиловый из расчета 250 мл на 1 кг керамической суспензии и проводят перемешивание в шаровой мельнице в течение 4 ч. Из открытоячеистого ППУ с размером пор 3-4 мм вырезают заготовку размером 555522 мм. На заготовку наносят 12 г активационной суспензии, которую затем равномерно распределяют по объему заготовки многократным обжатием между плоскопараллельными пластинками. Далее заготовку сушат в сушильном электрошкафу в течение 4 ч при 50 С и 2 ч при 110 С. После сушки активированную ППУ заготовку пропитывают окунанием в керамическую суспензию, отжимают в центрифуге течение 30 с при перегрузке 20. Для пропитки используют суспензию, полученную добавлением в ранее приготовленную керамическую суспензию воды до влажности 35 . Затем заготовку сушат при 50 С в течение 4 ч и при 110 С течение 2 ч. Высушенную заготовку помещают в электропечь, нагревают со скоростью 5 С/мин до 350 С, выдерживают в течение 1 ч для термического разложения ППУ каркаса, затем нагревают со скоростью 5 С /мин до 1350 С и спекают в течение 4 ч. В результате получают изделия из пенокерамики с линейными размерами 505020 мм с открытой пористостью 82 , которые можно использовать в качестве термостойкого носителя катализатора. Источники информации 1. Патент 4075303 МПК 7 В 29 Н 007/20, 1978. 2. Патент 4343704 МПК 7 В 01 039/20, 1982. 3. Патент 4839049 МПК 7 В 01 039/20, 1989. 4. Патент 4940489 МПК 7 С 21 С 007/00 В 01 035/02, 1990. 5. Патент 6468325 МПК 7 В 01 039/20 С 04 В 035/48, 2002. 6. Патент 4866011 МПК 7 С 04 В 038/06, 1989 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5