مرشح خزفي مسامي تتطلب عملية التشريب بالملاط معايير صارمة فيما يتعلق بالملاط نفسه. يصف هذا المقال عملية التشريب هذه.
تشريب الرغوة العضوية (البوليمرية)
اخترع شوارتزوالدر عملية الغمس بالرغوة العضوية في عام 1963. وهي طريقة تتمثل في تشريب الملاط الخزفي بالرغوة العضوية، ثم حرق الرغوة العضوية بعد تجفيفها للحصول على المنتج النهائي. يتم طلاء الملاط الجيد بشكل متجانس على شبكة الرغوة العضوية، ويتم الحصول على المسام الشبكية بعد حرق الرغوة العضوية.
يعتمد حجم مسام المنتج النهائي بشكل أساسي على حجم مسام الرغوة العضوية، كما يرتبط ارتباطًا معينًا بسماكة طبقة الملاط المطلقة على الرغوة العضوية؛ إلا أن بنية مسام الجسم المسامي الشبكي تكاد تكون مطابقة لتلك الموجودة في مصفوفة الرغوة العضوية. وهي عبارة عن هيكل شبكي ثلاثي الأبعاد للمسام. يُوضح الشكل 1-1 مبدأ تكوين المسام في هذه العملية
يمنحها هذا البناء الخاص مزايا هامة كمواد ترشيح: (1) عند مرور السائل من خلالها، يكون فقدان الضغط ضئيلاً. (2) مساحة سطح كبيرة وكفاءة عالية في التلامس مع السائل. (3) خفيف الوزن. مقارنةً بالجسم المتكلس من الجسيمات الخزفية وقماش الألياف الزجاجية المستخدمين تقليديًّا، يُستخدم هذا النوع من المرشحات الخزفية المسامية لترشيح السوائل، ولا سيما لترشيح المعادن المنصهرة.
(1) يجب أن تكون المادة ذات شبكة مفتوحة لضمان تمكن الملاط الخزفي من الاختراق بحرية والالتصاق ببعضه البعض، بحيث يتسنى تشكيل هيكل شبكي ثلاثي الأبعاد مسامي بعد الحرق؛;
(2) يجب أن تتمتع بدرجة معينة من قابلية الامتصاص المائي، بحيث تتمكن من امتصاص ملاط السيراميك بقوة
(3) يجب أن تكون هناك مرونة كافية لضمان إمكانية استعادة الشكل الطبيعي للملاط الزائد بسرعة؛;
(4) يتطاير عند درجة حرارة أقل من درجة حرارة حرق السيراميك ولا يلوث السيراميك.
يتم اختيار مسحوق السيراميك وفقًا للأغراض المختلفة لـ مرشح خزفي مسامي تم تطوير مادة طينية. على سبيل المثال، لتصفية المعادن غير الحديدية مثل الألومنيوم والنحاس والزنك والقصدير وسبائك أخرى ذات درجة انصهار منخفضة، يتم اختيار مواد الكوردييريت والألومينا وسلسلة Al₂O₃ وAl₂O₃CrO₃ بشكل عام؛ بينما عند صهر المعادن الحديدية وسبائكها، نظرًا للنشاط الكيميائي وارتفاع درجة حرارة الصب.
إن استخدام كربيد السيليكون كمرشح للدرجات العالية؛ واستخدام مواد سلسلة ZrO₂–Al₂O₃ المُثبَّتة جزئيًّا ومواد الترشيح من سلسلة المغنيسيوم-الألومنيوم لترشيح الفولاذ المنصهر يمكن أن يقلل بشكل فعال من محتوى الشوائب في الفولاذ المنصهر؛ استخدام مركب الكوردييريت-الموليت كمواد خزفية يمكن للمرشح أن يرشح جزيئات عوادم الديزل. وخلاصة القول، إن اختيار مساحيق السيراميك المناسبة أمر بالغ الأهمية لإعداد مواد ترشيح خزفية مسامية عالية الأداء وعملية.
يتكون الملاط بشكل أساسي من مسحوق السيراميك والمذيب والمواد المضافة. وعادةً ما يُستخدم الماء كمذيب، ولكن تُستخدم أيضًا المذيبات العضوية مثل الإيثانول. بالإضافة إلى خصائص الملاط الخزفي العام، يجب أن يحتوي الملاط أيضًا على أعلى نسبة ممكنة من المواد الصلبة (تتراوح نسبة الماء عادةً بين 10 و40٪ بالوزن، وتبلغ الكثافة النوعية للملاط 18~2.2 جم/سم³) وأن يتمتع بخاصية التكسوتروبيا بشكل أفضل. لا يقتصر دور الملاط عالي الأداء على تسهيل عملية التشكيل فحسب، بل يلعب أيضًا دورًا مهمًا في ضمان أداء المنتجات. وفي الوقت نفسه، للحصول على ملاط أكثر ملاءمةً للتشكيل بالغمس، يجب إضافة كمية معينة من المواد المضافة. تتكون المواد المضافة عمومًا مما يلي:
(1) المادة الرابطة. إضافة مادة رابطة إلى الملاط المستخدم في تحضير الشبكة مرشح خزفي مسامي لا تساعد الملاط فقط على تحسين متانة الجسم الخام بعد التجفيف، بل تمنع أيضًا انهيار الجسم الخام أثناء عملية إزالة المواد العضوية، مما يضمن أن يتمتع الجسم المتكلس النهائي بمتانة ميكانيكية كافية. تنقسم المواد الرابطة إلى مواد رابطة غير عضوية ومواد رابطة عضوية. المواد الرابطة غير العضوية الشائعة الاستخدام هي البوتاسيوم، وسيليكات الصوديوم، والبورات، والفوسفات، ومحلول هيدروكسيد الألومنيوم، ومحلول السيليكا. يؤثر نوع وخصائص المادة الرابطة تأثيرًا كبيرًا على أداء المنتج. ومن المهم جدًّا اختيار المادة الرابطة المناسبة لتحسين أداء الشبكة. على سبيل المثال، يتم تحضير الألومينا المسامية باستخدام هلام هيدروكسيد الألومنيوم كمادة رابطة، مما يحسّن بشكل كبير من مقاومة المرشح للتآكل الناتج عن الألومنيوم المنصهر.
(2) المُشتت. لزيادة المحتوى الصلب للملاط، يجب إضافة المُشتتات إلى كل من الأنظمة القائمة على الماء والأنظمة غير القائمة على الماء. يمكن لمواد التشتت تحسين استقرار الملاط، ومنع الجسيمات من التكتل مرة أخرى، وبالتالي زيادة المحتوى الصلب للملاط. ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن تأثير مواد التشتت يختلف عمومًا باختلاف أنظمة المساحيق. بالنسبة للنظام القائم على الماء لـ Al2O3، فإن البوليامين 25wt% هو الوحيد الذي له تأثير تشتيت جيد؛ أما بالنسبة للنظام القائم على الماء لـ SiC، فإن PEI (البولي إيثيلين إيمين) يعتبر مثاليًا كمشتت. باختصار، يعد اختيار المُشتت المناسب وسيلة مهمة لزيادة المحتوى الصلب للملاط.
(3) عامل الريولوجيا. وفقًا لخصائص التشكيل في هذه العملية، لا يُطلب من الملاط أن يتمتع بسيولة معينة فحسب، بل أيضًا بخصائص تيكسوتروبية جيدة؛ أي أن الملاط يجب أن يكون في حالة تصلب عند السكون، لكنه يستعيد سيولته تحت تأثير قوة خارجية. تضمن خصائص تدفق الملاط أن يتغلغل الملاط في الرغوة العضوية أثناء عملية التشريب، وأن يتم تغليفه بشكل متجانس على جدران خلايا شبكة الرغوة. يمكن أن تضمن خاصية التكسوتروبيا للملاط أنه عند غمس الملاط وبثق الفائض منه، تنخفض اللزوجة تحت تأثير القص، وتتحسن سيولة الملاط، مما يساعد في عملية التشكيل. في نهاية عملية التشكيل، ترتفع لزوجة الملاط، وتقل السيولة. وهذا يجعل الملاط الملتصق بجدار الفتحة سهل التشكيل والتدوير، لتجنب عدم انتظام مسام المنتج الناتج عن الانسداد الشديد للجسم الخام بسبب تدفق الملاط. لتحسين الخصائص الريولوجية للملاط، وخاصة التكسوتروبيا، عادةً ما تكون العوامل الريولوجية المضافة عبارة عن طين طبيعي (0.1~12w%) مثل البنتونيت والكاولين وكربوكسي ميثيل السليلوز.
(4) المادة الخافضة للتوتر السطحي. إذا كانت الملاط الخزفي ملاطًا مائيًا، وفي حالة ضعف قابلية الترطيب بين مادة الرغوة العضوية الأولية والملاط، فإن الملاط الكثيف سيلتصق بالجزء المتقاطع من بنية الرغوة عند غمر الملاط، وقد يؤدي ذلك في الحالات الشديدة، أثناء عملية التلبيد، إلى تشقق الجسم الخام، وانخفاض قوة مرشح خزفي مساميمن الواضح أن سماكة الملاط الخزفي تنخفض أو حتى تنهار. ولذلك، عادةً ما تُستخدم طريقة إضافة المواد الخافضة للتوتر السطحي لتحسين الالتصاق بين الملاط الخزفي والرغوة العضوية لحل هذه المشكلة، مثل إضافة مادة PEI (بولي إيثيلين إيمين) وما إلى ذلك.
(5) مزيل الرغوة. لمنع تكوّن الرغوة في الملاط أثناء عملية الغمس والبثق الزائد للملاط، وما يترتب على ذلك من تأثير سلبي على أداء المنتج، من الضروري إضافة عامل مزيل للرغوة، وهو عادةً كحول ذو وزن جزيئي منخفض أو سيليكون. يجب عصر الرغوة العضوية مرارًا وتكرارًا لإزالة الهواء قبل تشريب الملاط، ثم يتم تشريب الملاط. وتشمل الطرق طريقة الامتصاص بالضغط الجوي، وطريقة الامتصاص بالفراغ، وطريقة الدرفلة الآلية، وطريقة الفرك اليدوي. بغض النظر عن الطريقة المستخدمة للتشريب، يجب أن يتم تغطية الرغوة العضوية بالكامل بالملاط. بعد تشريب الرغوة العضوية بالملاط، يجب إزالة الملاط الزائد. ويكمن مفتاح هذه الخطوة في توحيد قوة البثق. من الضروري إزالة الملاط الزائد والتأكد من توزيع الملاط بالتساوي على جدار مسام الشبكة لمنع انسداد المسام. وتكون الكثافة الظاهرية للجسم الأخضر المتشكل مناسبة في النطاق 0.4~0.8 جم/سم³. وينبغي إتمام الإنتاج على نطاق واسع باستخدام معدات مثل أجهزة الطرد المركزي أو مصانع الدرفلة.
يجب تجفيف الجسم الأخضر الناتج عن بثق الملاط الزائد، ويمكن تجفيفه في الظل أو في الفرن أو في فرن الميكروويف. وعندما ينخفض محتوى الرطوبة إلى أقل من 1.0wt%، يصبح جاهزًا للطهي. ولتقصير دورة الإنتاج، يُطلب عمومًا وضع نظام تجفيف معقول.