filtro cerámico poroso La impregnación con pasta presenta requisitos estrictos en cuanto a la composición de la pasta. En este artículo se describe el proceso de impregnación.
impregnación de espuma orgánica (polímera)
El proceso de inmersión en espuma orgánica fue inventado por Schwartzwalder en 1963. Se trata de un método que consiste en impregnar la pasta cerámica con espuma orgánica y, tras el secado, quemar dicha espuma para obtener el producto final. La pasta de buena calidad se recubre de manera uniforme sobre la red de espuma orgánica, y los poros en forma de malla se obtienen tras la combustión de la espuma orgánica.
El tamaño de los poros del producto final depende principalmente del tamaño de los poros de la espuma orgánica y también guarda cierta relación con el espesor de la capa de la suspensión sobre la espuma orgánica; sin embargo, la estructura porosa del cuerpo poroso de malla es prácticamente idéntica a la de la matriz de espuma orgánica. Estructura esquelética tridimensional en forma de red de poros. El principio de formación de poros de este proceso se muestra en la figura 1-1.
Esta estructura especial le confiere importantes ventajas como material filtrante: (1) Cuando el fluido lo atraviesa, la pérdida de presión es mínima. (2) Gran superficie y alta eficiencia de contacto con el fluido. (3) Es ligero. En comparación con los cuerpos sinterizados de partículas cerámicas y los tejidos de fibra de vidrio que se utilizan tradicionalmente, este tipo de filtro cerámico poroso se emplea para la filtración de fluidos, especialmente para la filtración de metal fundido.
(1) Debe tratarse de un material de malla abierta que garantice que la pasta cerámica pueda penetrar libremente y adherirse entre sí, de modo que, tras la cocción, se forme un esqueleto tridimensional poroso en forma de red;
(2) Debe presentar un cierto grado de hidrofilia, que permita adsorber firmemente la pasta cerámica
(3) Debe haber suficiente elasticidad para garantizar que el exceso de lechada pueda recuperarse rápidamente y volver a su forma original;
(4) Se volatiliza por debajo de la temperatura de cocción de la cerámica y no la contamina.
El polvo cerámico se selecciona en función de los distintos fines del filtro cerámico poroso se ha desarrollado un material en suspensión. Por ejemplo, para filtrar metales no ferrosos como el aluminio, el cobre, el zinc, el estaño y otras aleaciones de bajo punto de fusión, se suelen seleccionar materiales de cordierita, alúmina, Al₂O₃ y de la serie Al₂O₃CrO₃; mientras que, en la fundición de metales ferrosos y sus aleaciones, debido a la mayor actividad química y a la temperatura de fundición más elevada.
El uso de carburo de silicio como filtro de alta temperatura; el uso de materiales de la serie ZrO₂-Al₂O₃ parcialmente estabilizados y de materiales filtrantes de la serie magnesio-aluminio para filtrar el acero fundido puede reducir eficazmente el contenido de inclusiones en el acero fundido; el uso de un compuesto de cordierita-mullita como cerámica permite filtrar las partículas de los gases de escape diésel. En conclusión, la selección de polvos cerámicos adecuados es muy importante para la preparación de materiales filtrantes cerámicos porosos de malla, prácticos y de alto rendimiento.
La pasta está compuesta principalmente por polvo cerámico, disolvente y aditivos. Por lo general, se utiliza agua como disolvente, aunque también se emplean disolventes orgánicos como el etanol. Además de las propiedades propias de una pasta cerámica general, la pasta también debe tener un contenido en sólidos lo más alto posible (el contenido en agua suele ser de 10~40wt%, y la densidad de la pasta es de 18~2,2 g/cm³) y una mejor tixotropía. La pasta de alto rendimiento no solo es beneficiosa para el moldeo, sino que también desempeña un papel importante a la hora de garantizar el rendimiento de los productos. Al mismo tiempo, para obtener una pasta más adecuada para el moldeo por inmersión, es necesario añadir una cierta cantidad de aditivos. Los aditivos suelen consistir en lo siguiente:
(1) Aglutinante. Añadir un aglutinante a la pasta para preparar la malla filtro cerámico poroso La pasta no solo ayuda a mejorar la resistencia del cuerpo verde tras el secado, sino que también evita que este se desmorone durante el proceso de eliminación de los componentes orgánicos, garantizando así que el cuerpo sinterizado final tenga suficiente resistencia mecánica. Los aglutinantes se dividen en aglutinantes inorgánicos y aglutinantes orgánicos. Los aglutinantes inorgánicos más utilizados son el potasio, el silicato de sodio, el borato, el fosfato, el sol de hidróxido de aluminio y el sol de sílice. El tipo y las características del aglutinante influyen en gran medida en el rendimiento del producto. Es muy importante elegir el aglutinante adecuado para mejorar el rendimiento de la malla. Por ejemplo, la alúmina porosa se prepara utilizando gel de hidróxido de aluminio como aglutinante, lo que mejora considerablemente la resistencia a la corrosión del filtro frente al aluminio fundido.
(2) Dispersante. Para aumentar el contenido de sólidos de la suspensión, es necesario añadir dispersantes tanto a los sistemas a base de agua como a los que no lo son. Los dispersantes pueden mejorar la estabilidad de la suspensión, evitar que las partículas se reaglomeren y, de este modo, aumentar el contenido en sólidos de la suspensión. Sin embargo, cabe señalar que, para diferentes sistemas de polvo, el efecto de los dispersantes suele ser distinto. En el caso del sistema a base de agua de Al₂O₃, solo la poliamina 25wt% tiene un buen efecto dispersante; para el sistema a base de agua de SiC, el PEI (polietilenimina) es el dispersante ideal. En definitiva, elegir el dispersante adecuado es una forma importante de aumentar el contenido en sólidos de la suspensión.
(3) Agente reológico. De acuerdo con las características de moldeo de este proceso, se requiere que la suspensión no solo tenga una cierta fluidez, sino también una buena tixotropía; es decir, se requiere que la suspensión se encuentre en estado solidificado en reposo, pero que recupere la fluidez bajo la acción de una fuerza externa. Las propiedades de flujo de la suspensión garantizan que esta penetre en la espuma orgánica durante el proceso de impregnación y recubra de manera uniforme las paredes celulares de la red de espuma. La tixotropía de la suspensión garantiza que, al sumergirla y expulsar el exceso de mezcla, la viscosidad se reduzca bajo la acción del cizallamiento, se mejore la fluidez de la suspensión y se facilite el moldeo. Al final del moldeo, la viscosidad de la suspensión aumenta y la fluidez se reduce. Esto hace que la suspensión adherida a la pared del orificio sea fácil de redondear y dar forma, evitando así la falta de uniformidad de los poros del producto debida a un bloqueo grave del cuerpo en bruto causado por el flujo de la suspensión. Para mejorar las propiedades reológicas de la pasta, especialmente la tixotropía, los agentes reológicos que se añaden suelen ser arcillas naturales (0,1~12w%), como la bentonita, el caolín y la carboximetilcelulosa.
(4) Tensioactivo. Si la suspensión cerámica es una suspensión acuosa, y la humectabilidad entre el precursor orgánico de la espuma y la suspensión es deficiente, se adherirá una suspensión espesa a la parte de intersección de la estructura de la espuma al sumergirla; en casos graves, esto provocará que, durante el proceso de sinterización, el cuerpo en bruto se agriete y la resistencia del filtro cerámico porosoLa suspensión cerámica se ve claramente reducida o incluso se desintegra. Por lo tanto, para resolver este problema se suele recurrir al método de añadir tensioactivos con el fin de mejorar la adhesión entre la suspensión cerámica y la espuma orgánica, como por ejemplo la adición de PEI (polietilenimina), entre otros.
(5) Antiespumante. Para evitar que la pasta forme espuma durante el proceso de inmersión y que el exceso de pasta se extruya, lo que podría afectar al rendimiento del producto, es necesario añadir un agente antiespumante, generalmente un alcohol de bajo peso molecular o silicona. La espuma orgánica debe exprimirse repetidamente para eliminar el aire antes de impregnarla con la pasta, y a continuación se lleva a cabo la impregnación. Los métodos incluyen el método de adsorción a presión atmosférica, el método de adsorción al vacío, el método de laminado mecánico y el método de frotado manual. Independientemente del método utilizado para la impregnación, es necesario que la pasta recubra completamente la espuma orgánica. Una vez impregnada la espuma orgánica con la pasta, hay que eliminar el exceso de esta. La clave de este paso es la uniformidad de la fuerza de extrusión. Es necesario eliminar el exceso de pasta y garantizar que esta se distribuya de manera uniforme sobre la pared de los poros de la red para evitar su obstrucción. La densidad aparente del cuerpo verde formado debe situarse en el intervalo de 0,4 a 0,8 g/cm³. La producción a gran escala debe realizarse con equipos como centrifugadoras o laminadoras.
El cuerpo verde obtenido mediante la extrusión del exceso de pasta debe secarse, lo que puede hacerse a la sombra, en horno o en microondas. Cuando el contenido de humedad es inferior al 1,0 % en peso, puede cocerse. Para acortar el ciclo de producción, suele ser necesario diseñar un sistema de secado adecuado.