ПОРИСТАЯ КОРУНДОВАЯ КЕРАМИКА ИЗ ГИДРОКСИДОВ АЛЮМИНИЯ

Красный Б.Л., Тарасовский В.П., Красный А.Б. ЗАО «НТЦ «Бакор»

            Одним из высокоэффективных методов разделения жидких и газовых смесей является их разделение с использованием фильтрующих элементов из различных пористых проницаемых материалов.

            Фильтрующие элементы (ФЭ) из пористой проницаемой керамики (ППК) по сравнению с ФЭ, изготовленными из других материалов имеют ряд преимуществ: высокая температура эксплуатации (до 1500 - 1700?С); устойчивость в химически агрессивных средах; механическая прочность, в том числе при повышенных температурах; стойкость к микробиологическому разрушению. ФЭ из ППК можно регенерировать (воздухом, обратным током жидкости, промывкой в агрессивных жидкостях – кислотах и щёлочах, прокаливанием, воздействием ультразвука и т.д.), а также стерилизовать растворами содержащими хлор или «острым» паром. [1-2].

Для изготовления фильтрующих элементов из ППК в настоящее время наибольшее применение получили керамические материалы на основе оксида алюминия.

            Традиционные методы изготовления пористой проницаемой корундовой керамики: частичное спекание (твёрдофазовое) узкофракционированных порошков глинозёма; жидкофазное спекание узкофракционированных порошков (использование легкоплавких технологических связок); использование порошков из материалов с некубической структурой имеющих резко отличающиеся друг от друга ТКЛР в направлении главных кристаллографических осей; использование различных порообразователей [3

            В работе [4] предложена методика оценки объемных изменений отформованных образцах, происходящих в результате химических реакций и расчета значений конечной пористости образцов. Критерием, позволяющим оценивать реакции с точки зрения возможных объемных изменений, является объемный эффект реакции.

Было выдвинуто предположение о том, что за счет изменения объема при нагревании гидроксида алюминия (ГД) в результате химических реакций Al2O3·H2O (бемит) = Al2O3 + H2O(г) и Al2O3·3H2O (гиббсит) = Al2O3 + 3H2O(г) возможно получение ППК с пористостью превышающей значения пористости получаемой традиционными методами.

            Для проведения исследований в работе были использованы: ГД марки ГД-12 (пр-ва ОАО «Бокситогорский глинозем», ТУ 1711-001-00658716-99, получен при разложении алюминатных растворов методом карбонизации в производстве глинозема); ГД марки НПК-1 («ЧДА», пр-во Донецкого завода химических реактивов); ГД марки НПК-2 (пр-во Ачинского глинозёмного завода); ГД марки APYRAL 4 (пр-во фирмы Nabaltec AG, Германия); ГД марки APYRAL AOH 180E (пр-во фирмы Nabaltec AG, Германия).

            Формование образцов для проведения исследований осуществляли на гидропрессе ПГ-10 при давлении 70 МПа. Размеры образцов 25 мм, =25 мм. Образцы обжигали при температуре 800-1500ºС, время выдержки при максимальной температуре составило 1-100 ч. В качестве временной технологической связки использовали 7% водный раствор поливинилового спирта.

            Объемные эффекты реакций (гидроксид алюминия→оксид алюминия) для используемых в работе материалов приведены в Таблице 1.

Таблица 1. Влияние фазового состава ГД алюминия на объёмный эффект реакции

Материал

Содержание кристаллич.фазы, масс.%

Δm

Δ%

Гиббсит

(ρ=2,42 г/см3)

Байерит

(ρ=2,53 г/см3)

Бемит

 

(ρ=3,04 г/см3)

ГД-12 100 - - -0,3465 -60,36
НПК-1 78 22 - -0,3465 -59,98
НПК-2 100 - - -0,3465 -60,36
APYRAL 4 100 - - -0,3465 -60,36
APYRAL AOH 180E - - 100 -0,1502 -35,25

Δm – изменение массы, выраженное в процентах; Δ – объемный эффект реакции

Реакции разложения ГД алюминия до оксида алюминия сопровождаются отрицательным объемным эффектом – происходит разрыхление структуры и увеличение пористости заготовки. Однако для моногидрата оксида алюминия этот эффект меньше, чем для тригидрата, в связи с чем можно ожидать более низкое значение пористости для образов из ГД марки APYRAL AOH 180E по сравнению с образцами из ГД других марок.

            В работе изучено влияние природы исходного материала (фазового состава, содержания аморфной фазы, а также формы и размеров кристаллов) и технологических факторов (температура и время обжига) на физико-технические свойства ППК.

            На рис. 1 представлены типичные микроструктуры образцов ППК после обжига, а в таблице 2 некоторые физико-технические свойства этих образцов.

ГД12 НПК-1 НПК-2 APYRAL 4 APYRAL AOH 180E
         

 

Рис. 1. Микроструктура ППК из оксида алюминия полученного прокаливанием ГД алюминия (температура обжига 1500 ºС, время выдержки 1 ч)

Таблица 2. Влияние фазового состава ГД и температуры обжига на физико-технические свойства ППК

Тобж, °С

Время обжига, ч

Усадка

Открытая пористость, %

Средняя плотность, г/см3

Прочность на разрыв, кПа

Sуд

 

(BET),м2

dпор,мкм

По высоте,    % По диаметру, %

Δh/Δ

d

ГД-12

1400 1 6,71 5,61 1,20 63,0 1,46 38 1,44 0,439
1500 1 11,61 11,31 1,03 56,0 1,76 332 1,30 0,429
НПК-1
1400 1 8,35 7,94 1,05 65,0 1,38 623 5,22 0,125
1500 1 15,24 15,48 0,99 55,0 1,76 1063 4,90 0,112
НПК-2
1400 1 5,25 4,76 1,11 65,0 1,35 147 4,96 0,131
1500 1 9,25 8,73 1,06 61,0 1,53 737 1,20 0,510
APYRAL 4
1400 1 5,92 5,56 1,07 65,0 1,37 875 4,88 0,133
1500 1 9,90 8,73 1,14 62,0 1,51 2277 4,24 0,146

APYRAL AOH 180E

1400 1 11,34 10,71 1,05 58,0 1,66 481 4,27 0,136
1500 1 14,84 14,09 1,05 53,0 1,86 607 2,57 0,207

В результате проведённой работы:

1. Показана возможность получения ППК из ГД с пористостью 40-65%, удельной поверхностью 1-5 м2/г и средним размером пор 0,1-0,5 мкм.

2. Доказали, что использование в качестве сырья тригидратов оксида алюминия позволяет получить керамику с пористостью 55-65%, в то время как использование моногидрата – только 40-55%.

3. Установили, что для получения материала с высокой пористостью (~60%), высокой прочностью и приемлемым значением усадки (< 10-12%) может быть рекомендован материал APYRAL 4

Список литературы:

1. Красный Б.Л., Тарасовский В.П., Красный А.Б. Исследование влияния концентрации H2SO4, HCI, NaOH и Na2CO3 на химическую стойкость пористой проницаемой керамики на алюмосиликатной связке, Стекло и керамика, № 10, 2011, с. 15-17.

2. Красный Б.Л., Тарасовский В.П., Красный А.Б. Исследование влияния химического состава алюмосиликатной связки на физико-технические свойства пористой проницаемой керамики, Новые огнеупоры, № 11, 2011, с. 41-44.

3. Красный Б.Л., Тарасовский В.П., Красный А.Б., Матыцин Я.Г. Влияние температуры обжига на спекание и физико-технические характеристики пористой проницаемой керамики на алюмосиликатной связке, Техника и технология силикатов, № 1, 2012, с.11-14.

4. Гузман И.Я. Реакционное спекание и его использование в технологии огнеупоров, М.: РХТУ, 1996. - 56с.