пористый керамический фильтр К суспензии, используемой при пропитке, предъявляются строгие требования. В данной статье описывается процесс пропитки.
пропитка органической (полимерной) пеной
Процесс погружения в органическую пену был изобретён Шварцвальдером в 1963 году. Это метод пропитки керамической суспензии органической пеной и выжигания органической пены после сушки для получения конечного продукта. Качественная керамическая суспензия равномерно наносится на сетку из органической пены, и после сжигания органической пены образуются поры сетчатого типа.
Размер пор конечного продукта в основном зависит от размера пор органической пены, а также в определенной степени связан с толщиной слоя суспензии на органической пене, однако структура пор сетчатого пористого тела практически не отличается от структуры матрицы органической пены — трехмерной сеточной скелетной структуры пор. Принцип образования пор в данном процессе показан на рисунке 1-1.
Такая особая структура обеспечивает ему значительные преимущества в качестве фильтрующего материала: (1) При прохождении жидкости потери давления незначительны. (2) Большая площадь поверхности и высокая эффективность контакта с жидкостью. (3) Легкий вес. По сравнению с традиционно используемыми спеченными керамическими блоками и стекловолоконной тканью, этот вид пористого керамического фильтра применяется для фильтрации жидкостей, в особенности для фильтрации расплавленного металла.
(1) Это должен быть материал с открытой сеткой, чтобы керамическая суспензия могла свободно проникать сквозь него и сцепляться между собой, что позволит сформировать пористый трехмерный сеточный каркас после обжига;
(2) Он должен обладать определенной степенью гидрофильности, позволяющей прочно адсорбировать керамическую суспензию
(3) Материал должен обладать достаточной упругостью, чтобы избыточный шлам мог быстро восстанавливать свою форму;
(4) Он улетучивается при температуре ниже температуры обжига керамики и не загрязняет керамику.
Керамический порошок подбирается в зависимости от различных целей пористый керамический фильтр разработанный шламовый материал. Например, для фильтрации цветных металлов, таких как алюминий, медь, цинк, олово и другие сплавы с низкой температурой плавления, обычно выбирают кордиерит, оксид алюминия, Al₂O₃ и материалы серии Al₂O₃CrO₃; при плавке черных металлов и их сплавов, ввиду более высокой химической активности и более высокой температуры литья.
Использование карбида кремния в качестве высокотемпературного фильтра; применение частично стабилизированных материалов серии ZrO₂–Al₂O₃ и фильтрующих материалов магниево-алюминиевой серии для фильтрации расплавленной стали позволяет эффективно снизить содержание включений в расплавленной стали; использование кордиерит-муллитового композита в качестве керамического фильтра позволяет отфильтровывать частицы выхлопных газов дизельных двигателей. В заключение следует отметить, что выбор подходящих керамических порошков имеет большое значение для получения высокоэффективных и практичных пористых керамических фильтрующих материалов с сетчатой структурой.
Суспензия в основном состоит из керамического порошка, растворителя и добавок. Обычно в качестве растворителя используется вода, но также применяются и органические растворители, такие как этанол. Помимо свойств обычной керамической суспензии, она также должна иметь как можно более высокое содержание твердых веществ (содержание воды обычно составляет 10–40 wt%, удельный вес суспензии — 18–2,2 г/см³) и лучшую тиксотропность. Высокоэффективная суспензия не только облегчает формование, но и играет важную роль в обеспечении эксплуатационных характеристик изделий. В то же время для получения суспензии, более подходящей для формования методом погружения, необходимо добавить определённое количество добавок. Добавки, как правило, состоят из следующих компонентов:
(1) Связующее вещество. Добавление связующего вещества в суспензию для изготовления сетки пористый керамический фильтр Связующая смесь не только способствует повышению прочности сырца после сушки, но и предотвращает его разрушение в процессе удаления органических компонентов, тем самым обеспечивая достаточную механическую прочность конечного спеченного изделия. Связующие вещества подразделяются на неорганические и органические. Обычно в качестве неорганических связующих веществ используются силикат калия, силикат натрия, борат, фосфат, золь гидроксида алюминия и золь кремнезема. Тип и характеристики связующего вещества оказывают большое влияние на эксплуатационные характеристики изделия. Очень важно правильно выбрать связующее вещество для улучшения эксплуатационных характеристик сетки. Например, пористый оксид алюминия получают с использованием геля гидроксида алюминия в качестве связующего вещества, что значительно повышает коррозионную стойкость фильтра к воздействию расплавленного алюминия.
(2) Диспергатор. Для повышения содержания твердых частиц в суспензии необходимо добавлять диспергаторы как в системы на водной основе, так и в системы на неводной основе. Диспергаторы могут улучшить стабильность суспензии, предотвратить повторную агломерацию частиц и, таким образом, увеличить содержание твердого вещества в суспензии. Однако следует отметить, что для различных порошковых систем эффект диспергаторов, как правило, различается. Для системы Al₂O₃ на водной основе хороший диспергирующий эффект демонстрирует только полиамин 25wt%; для системы SiC на водной основе в качестве диспергатора идеально подходит PEI (полиэтиленимин). Одним словом, выбор подходящего диспергатора — важный способ увеличения содержания твердого вещества в суспензии.
(3) Реологический агент. В соответствии с формовочными характеристиками данного процесса суспензия должна обладать не только определенной текучестью, но и хорошей тиксотропностью, то есть в состоянии покоя она должна находиться в затвердевшем состоянии, но при воздействии внешней силы восстанавливать текучесть. Текучестные свойства суспензии обеспечивают её проникновение в органическую пену в процессе пропитки и равномерное нанесение на стенки ячеек пенной структуры. Тиксотропность суспензии позволяет обеспечить, чтобы при погружении в нее и отжиме излишков под действием сдвига вязкость снижалась, текучесть суспензии улучшалась, что способствует формованию. По окончании формования вязкость суспензии повышается, а текучесть снижается. Это позволяет легко сгладить и придать нужную форму суспензии, прилипшей к стенкам полостей, что позволяет избежать неравномерности пор изделия, вызванной серьезной закупоркой заготовки вследствие течения суспензии. Для улучшения реологических свойств суспензии, особенно тиксотропии, в качестве реологических добавок обычно используются природные глины (0,1–12 w%), такие как бентонит, каолин и карбоксиметилцеллюлоза.
(4) Поверхностно-активное вещество. Если керамическая суспензия представляет собой суспензию на водной основе, то при плохой смачиваемости между органическим прекурсором пены и суспензией при погружении в нее густая суспензия будет прилипать к пересекающимся частям пенной структуры, а в тяжелых случаях это приведет к тому, что в процессе спекания появлению трещин в сыром изделии и снижению прочности пористый керамический фильтрПлотность керамической суспензии явно снижается или даже полностью теряется. Поэтому для решения этой проблемы обычно применяется метод добавления поверхностно-активных веществ, направленный на улучшение адгезии между керамической суспензией и органической пеной, например, добавление ПЭИ (полиэтиленимина) и т. п.
(5) Пеногаситель. Чтобы предотвратить вспенивание суспензии в процессе погружения и выдавливания излишков суспензии, что может ухудшить эксплуатационные характеристики изделия, необходимо добавить пеногаситель — как правило, низкомолекулярный спирт или силикон. Перед пропиткой суспензией органическую пену необходимо несколько раз отжать для удаления воздуха, после чего производится пропитка. К методам пропитки относятся метод адсорбции при атмосферном давлении, метод вакуумной адсорбции, метод машинного прокатывания и метод ручного втирания. Независимо от того, какой метод пропитки используется, суспензия должна полностью покрывать органическую пену. После пропитки органической пены суспензией необходимо удалить излишки суспензии. Ключевым моментом на этом этапе является равномерность силы выдавливания. Необходимо удалить избыток суспензии и обеспечить её равномерное распределение по стенкам пор сетки, чтобы предотвратить их закупоривание. Насыпная плотность сформированного сырца должна находиться в диапазоне 0,4–0,8 г/см³. Крупносерийное производство следует осуществлять с использованием такого оборудования, как центрифуги или вальцовочные станы.
Зеленое изделие, полученное путем отжима излишков суспензии, необходимо высушить; для этого его можно сушить в тени, в печи или в микроволновой печи. Когда содержание влаги становится ниже 1,0 % по массе, изделие можно обжигать. Для сокращения производственного цикла, как правило, требуется разработать рациональную систему сушки.