filtre en céramique poreuse L'imprégnation par suspension impose des exigences strictes quant à la composition de la suspension. Cet article décrit le processus d'imprégnation.
imprégnation de mousse (polymère) organique
Le procédé d'imprégnation par mousse organique a été inventé par Schwartzwalder en 1963. Il s'agit d'une méthode consistant à imprégner une suspension céramique de mousse organique, puis à brûler cette dernière après séchage pour obtenir le produit final. La pâte de céramique de bonne qualité est appliquée de manière uniforme sur le réseau de mousse organique, et les pores de type maillé sont obtenus après la combustion de la mousse organique.
La taille des pores du produit final dépend principalement de celle de la mousse organique et est également liée, dans une certaine mesure, à l’épaisseur de la couche de suspension appliquée sur la mousse organique ; toutefois, la structure poreuse du corps poreux maillé est pratiquement identique à celle de la matrice de la mousse organique. Structure en réseau tridimensionnel des pores. Le principe de formation des pores de ce procédé est illustré à la figure 1-1.
Cette structure particulière lui confère des avantages significatifs en tant que matériau filtrant : (1) La perte de charge est faible lors du passage du fluide. (2) Grande surface spécifique et efficacité élevée de contact avec le fluide. (3) Légèreté. Comparé aux corps frittés en particules de céramique et aux tissus en fibre de verre traditionnellement utilisés, ce type de filtre en céramique poreuse est utilisé pour la filtration des fluides, en particulier pour la filtration des métaux en fusion.
(1) Il doit s'agir d'un matériau à mailles ouvertes afin de garantir que la boue céramique puisse y pénétrer librement et que les mailles adhèrent les unes aux autres, de manière à former, après cuisson, un squelette tridimensionnel poreux ;
(2) Il doit présenter un certain degré d'hydrophilie, ce qui lui permet d'adsorber fermement la suspension céramique
(3) La résilience doit être suffisante pour garantir que l'excédent de boue puisse être rapidement resserré et retrouver sa forme ;
(4) Il se volatilise à une température inférieure à celle de cuisson de la céramique et ne contamine pas celle-ci.
La poudre céramique est choisie en fonction des différentes utilisations de la filtre en céramique poreuse matériau en suspension mis au point. Par exemple, pour filtrer des métaux non ferreux tels que l’aluminium, le cuivre, le zinc, l’étain et d’autres alliages à bas point de fusion, on choisit généralement de la cordiérite, de l’alumine, de l’Al₂O₃ et des matériaux de la série Al₂O₃CrO₃ ; tandis que pour la fusion des métaux ferreux et de leurs alliages, en raison de l’activité chimique et de la température de coulée plus élevées.
L'utilisation du carbure de silicium comme filtre haute température ; l'utilisation de matériaux partiellement stabilisés de la série ZrO₂-Al₂O₃ et de matériaux filtrants de la série magnésium-aluminium pour filtrer l'acier en fusion permet de réduire efficacement la teneur en inclusions de l'acier en fusion ; l'utilisation d'un composite cordiérite-mullite sous forme de céramique permet de filtrer les particules issues des gaz d'échappement des moteurs diesel. En conclusion, le choix de poudres céramiques adaptées est essentiel pour la fabrication de matériaux filtrants céramiques poreux à mailles, à la fois performants et pratiques.
La boue est principalement composée de poudre céramique, d'un solvant et d'additifs. En général, on utilise de l'eau comme solvant, mais on recourt également à des solvants organiques tels que l'éthanol. Outre les propriétés d'une suspension céramique classique, celle-ci doit également présenter une teneur en solides aussi élevée que possible (la teneur en eau est généralement comprise entre 10 et 40 % en poids, et la densité de la suspension entre 18 et 2,2 g/cm³) ainsi qu'une meilleure thixotropie. La barbotine haute performance facilite non seulement le moulage, mais joue également un rôle important dans la garantie des performances des produits. Parallèlement, pour obtenir une barbotine mieux adaptée au moulage par immersion, il est nécessaire d’ajouter une certaine quantité d’additifs. Ces additifs se composent généralement des éléments suivants :
(1) Liant. Ajout d'un liant à la boue destinée à la fabrication de mailles filtre en céramique poreuse La boue de liaison contribue non seulement à améliorer la résistance du corps cru après séchage, mais empêche également celui-ci de s'effondrer pendant le processus d'élimination des matières organiques, garantissant ainsi que le corps fritté final présente une résistance mécanique suffisante. Les liants se divisent en liants inorganiques et liants organiques. Les liants inorganiques couramment utilisés sont le potassium, le silicate de sodium, le borate, le phosphate, le sol d’hydroxyde d’aluminium et le sol de silice. Le type et les caractéristiques du liant ont une grande influence sur les performances du produit. Il est très important de choisir le liant approprié pour améliorer les performances de la maille. Par exemple, l’alumine poreuse est préparée en utilisant un gel d’hydroxyde d’aluminium comme liant, ce qui améliore considérablement la résistance à la corrosion du filtre face à l’aluminium fondu.
(2) Dispersant. Pour augmenter la teneur en solides de la suspension, il est nécessaire d’ajouter des dispersants aussi bien aux systèmes à base d’eau qu’aux systèmes non aqueux. Les dispersants permettent d’améliorer la stabilité de la suspension, d’empêcher la réagglomération des particules et, par conséquent, d’augmenter la teneur en solides de la suspension. Il convient toutefois de noter que l’effet des dispersants varie généralement selon les systèmes de poudres. Pour le système à base d’eau d’Al₂O₃, seule la polyamine 25wt% présente un bon effet dispersant ; pour le système à base d’eau de SiC, le PEI (polyéthylèneimine) est le dispersant idéal. En résumé, le choix d’un dispersant approprié constitue un moyen important d’augmenter la teneur en solides de la suspension.
(3) Agent rhéologique. Compte tenu des caractéristiques de moulage de ce procédé, la suspension doit non seulement présenter une certaine fluidité, mais aussi une bonne thixotropie ; en d’autres termes, elle doit se trouver à l’état solidifié au repos, mais retrouver sa fluidité sous l’action d’une force externe. Les propriétés d'écoulement de la suspension garantissent que celle-ci pénètre dans la mousse organique pendant le processus d’imprégnation et recouvre uniformément les parois cellulaires du réseau de la mousse. La thixotropie de la suspension permet de garantir que, lors de l’immersion de la mousse et de l’extrusion de l’excès de suspension, la viscosité diminue sous l’effet du cisaillement, ce qui améliore la fluidité de la suspension et facilite le moulage. À la fin du moulage, la viscosité de la suspension augmente, tandis que sa fluidité diminue. Cela permet à la suspension adhérant à la paroi des alvéoles d’être facilement arrondie et mise en forme, évitant ainsi une perte d’uniformité des pores du produit due à un colmatage important de l’ébauche causé par l’écoulement de la suspension. Pour améliorer les propriétés rhéologiques de la barbotine, en particulier sa thixotropie, les agents rhéologiques ajoutés sont généralement des argiles naturelles (0,1 à 12 % en poids) telles que la bentonite, le kaolin et la carboxyméthylcellulose.
(4) Tensioactif. Si la suspension céramique est à base d’eau, et si la mouillabilité entre le précurseur de mousse organique et la suspension est insuffisante, une suspension épaisse se fixera sur les parties entrecroisées de la structure de la mousse lors de l’immersion de celle-ci ; dans les cas les plus graves, cela entraînera, pendant le processus de frittage, le corps vert se fissure, et la résistance du filtre en céramique poreuseLa stabilité de la suspension est manifestement réduite, voire compromise. C'est pourquoi on recourt généralement à l'ajout d'un tensioactif pour améliorer l'adhérence entre la suspension céramique et la mousse organique afin de résoudre ce problème, par exemple en ajoutant du PEI (polyéthylèneimine), etc.
(5) Agent anti-mousse. Afin d’éviter que la pâte ne mousse pendant le processus d’immersion et d’extrusion de l’excès de pâte, ce qui pourrait nuire aux performances du produit, il est nécessaire d’ajouter un agent anti-mousse, généralement un alcool de faible poids moléculaire ou de la silicone. La mousse organique doit être pressée à plusieurs reprises pour en éliminer l’air avant l’imprégnation de la pâte, puis celle-ci est imprégnée. Les méthodes utilisées comprennent la méthode d’adsorption à pression atmosphérique, la méthode d’adsorption sous vide, la méthode de laminage mécanique et la méthode de frottement manuel. Quelle que soit la méthode d’imprégnation utilisée, la pâte doit recouvrir entièrement la mousse organique. Une fois la mousse organique imprégnée de pâte, il faut éliminer l’excès de pâte. La clé de cette étape réside dans l’uniformité de la force d’extrusion. Il est nécessaire d’éliminer l’excès de pâte et de veiller à ce que celle-ci soit répartie uniformément sur la paroi des pores du réseau afin d’éviter leur obstruction. La densité apparente du corps vert formé doit se situer dans une plage comprise entre 0,4 et 0,8 g/cm³. La production à grande échelle doit être réalisée à l’aide d’équipements tels que des centrifugeuses ou des laminoirs.
Le corps vert obtenu par extrusion de l'excédent de barbotine doit être séché ; ce séchage peut s'effectuer à l'ombre, au four ou au micro-ondes. Lorsque la teneur en humidité est inférieure à 1,0 % en poids, le corps vert peut être cuit. Afin de raccourcir le cycle de production, il est généralement nécessaire de mettre en place un système de séchage adapté.