Шихта для получения пенокерамического материала

 

Изобретение относится к области неорганической химии, в частности к пенокерамическим высокопористым композиционным материалам, которые могут быть использованы в качестве носителей катализаторов, фильтров для нагретого газа, жидкостей, металлов, пористых электродов, шумопоглощающих устройств, а также конструкционных, теплоизоляционных материалов. Предлагаемая шихта содержит, мас.%: 3-35 углеродных, фенолформальдегидных, крезомикросфер, 10-35 силиката натрия, остальное - мелкодисперсный порошок по крайней мере одного из оксидов титана, кремния, алюминия. Изобретение позволяет получить пенокерамический материал, с использованием экологически безопасного связующего, при этом материал имеет высокие рабочие характеристики.

Изобретение относится к области неорганической химии, в частности к пенокерамическим высокопористым композиционным материалам, которые могут быть использованы в качестве носителей катализаторов, фильтров для нагретого газа, жидкостей, металлов, пористых электродов, шумопоглощающих устройств, а также конструкционных материалов (теплоизоляторы ).

Известна шихта для получения пснокерамического материала, включающая, мас. %: углеродные микросферы 5-20; жидкое карбонизующееся связующее 15-30; мелкодисперсный порошок титана 50-80 (патент РФ 2055053, С 04 В 35/532, 1996). Пенокерамический материал, полученный из шихты предлагаемого состава, имеет следующие характеристики: плотность 1,05-1,67 г/см³, предел прочности при сжатии 5-10 МПа.

Недостатком известного технического решения является необходимость использовать в качестве исходного материала дорогостоящий мелкодисперсный порошок титана.

Известна шихта для получения пенокерамического материала, включающая углеродные микросферы, жидкое карбонизующееся связующее и мелкодисперсный порошок оксида титана или оксида кремния при следующем соотношении компонентов, мас. %: углеродные микросферы 4-20; жидкое карбонизующееся связующее 13-25; мелкодисперсный порошок оксида титана или оксида кремния 55-83 (патент РФ 2057740, С 04 В 35/532, 1996). Материал, полученный из известной шихты, имеет плотность 0,7-1,3 г/см³.

Недостатком известного технического решения является использование в шихте карбонизующегося связующего, в частности фенолформальдегидной смолы, которое оказывает отрицательное воздействие на организм человека и окружающую среду в силу высокой токсичности за счет выделения при термообработке фенола, формальдегида, углекислого газа, цианидов и т.д.

Таким образом, перед авторами стояла задача расширить сырьевую базу исходных компонентов шихты с использованием экологически безопасного связующего для получения пенокерамичсского материала, обладающего рабочими характеристиками на уровне известных.

Поставленная задача решена в предлагаемом составе шихты для получения пенокерамического материала, содержащей микросферы, связующее и мелкодисперсный порошок оксида по крайней мере одного элемента из группы: титан, алюминий, кремний, которая в качестве связующего содержит раствор силиката натрия, при следующем соотношении компонентов, мас.%: Микросферы углеродные, фенолформальдегидные, крезо- - 3÷35 Силикат натрия - 10÷25 Мелкодисперсный порошок оксида по крайней мере одного элемента из группы: титан, алюминий, кремний - Остальное В настоящее время из научно-технической и патентной литературы не известна шихта для получения пенокерамического материала, в которой в качестве связующего используют раствор силиката натрия в заявленных пределах содержания компонентов.

Особенностью химических свойств силикатов щелочных металлов является способность к поликонденсационным процессам, в результате которых происходит образование трехмерных полимерных соединений. Специфика этих соединений в сравнении с соединениями углерода обусловлена низкой электроотрицательностью атома кремния и его способностью образовывать донорно-акцепторные связи с использованием одной или двух d-орбиталей, что и обусловливает химическую инертность соединения. При использовании в качестве связующего силиката натрия для получения пенокерамического материала высокотемпературная термообработка исходной шихты приводит к термодеструкции трехмерных полимеров с образованием диоксида кремния (SiO₂). Присутствие диоксида кремния в тонкодисперсном (аморфном) состоянии способствует образованию прочного каркаса пенокерамики и позволяет получать пенокерамический материал с достаточно высокой прочностью.

Способ получения пенокерамического материала из шихты предлагаемого состава осуществляют следующим образом.

Берут смесь исходных компонентов, тщательно перемешивают, прессуют из полученной массы образцы и сушат при комнатной температуре на воздухе. Затем проводят спекание при температуре 1000-1600^oС в вакууме или в атмосфере азота или инертного газа в течение 60-180 минут.

Полученный продукт исследуют рентгенографическим, химическим и электронно-микроскопическим методами анализа. Измеряют его пористость, плотность, прочность при сжатии, термостойкость.

Получают пенокерамический материал со следующими рабочими характеристиками: Плотность - 0,7÷1,64 г/см³ Пористость - 40÷60 % Прочность при сжатии - 10÷27 МПа Термостойкость - 1450÷1540^oС Пенокерамический материал с вышеприведенными свойствами может быть получен только при условии соблюдения предлагаемого соотношения исходных компонентов шихты. При содержании микросфер более чем 35 мас.% снижается прочность материала (образцы рассыпаются), при содержании микросфер менее чем 3 мас.% увеличивается плотность материала, что отрицательно сказывается на рабочих характеристиках материала. При уменьшении содержания силиката натрия менее чем 10 мас. %, количество частиц, образующихся в результате термодеструкции трехмерных полимеров, не достаточно, что ведет к снижению прочности пенокерамического материала. При увеличении содержания силиката натрия более 25 мас.%, наблюдается уменьшение пористости материала.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Берут 35,0 г (35,0 мас.%) крезо-микросфер, 10,0 г (10,0 мас.%) водного раствора силиката натрия плотностью не менее 1,35 г/см) и 55,0 г (55,0 мас.%) мелкодисперсного порошка лейкоксенового концентрата (в основном смесь ТiO₂ и SiO₂). Исходные компоненты тщательно перемешивают и из полученной смеси прессуют образцы (2,0х2,0х2,0 см) при давлении 1 МПа. Затем сушат при комнатной температуре на воздухе в течение 20 час. После чего спекают при температуре 1150^oС в атмосфере азота в течение 60 мин. Получают пенокерамический материал, обладающий следующими рабочими характеристиками: плотность 0,87 г/см³; пористость 55 %; прочность при сжатии 15 МПа; термостойкость 1450^o.

Пример 2. Берут 3,0 г (3,0 мас.%) углеродных микросфер, 25,0 г (25,0 мас.%) раствора силиката натрия и 72,0 г (72,0 мас.%) мелкодисперсного порошка диоксида титана (TiO₂). Исходные компоненты тщательно перемешивают и из полученной смеси прессуют образцы (2,0х2,0х2,0 см) при давлении 1 МПа. Затем сушат при комнатной температуре на воздухе в течение 24 часов. После чего спекают при температуре 1000^oС в атмосфере азота в течение 80 мин. Получают пенокерамический материал, обладающий следующими рабочими характеристиками: плотность 1,40 г/см³; пористость 40%; прочность при сжатии 27 МПа; термостойкость 1500^o.

Пример 3. Берут 15,0 г (15,0 мас.%) крезо-микросфер, 10,0 г (10,0 мас.%) раствора силиката натрия и 75,0 г (75,0 мас.%) мелкодисперсного порошка оксида алюминия (А1₂O₃). Исходные компоненты тщательно перемешивают и из полученной смеси прессуют образцы (2,0х2,0х2,0 см) при давлении 1 МПа. Затем сушат при комнатной температуре на воздухе в течение 60 мин. После чего спекают при температуре 1600^oС в вакууме 10^-2 в течение 180 мин. Получают пенокерамический материал, обладающий следующими рабочими характеристиками: плотность 1,08 г/см³; пористость 50%; прочность при сжатии 17 МПа; термостойкость 1510^o.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет получить пенокерамический материал с использованием в качестве исходного экологически безопасного связующего, при этом материал имеет хорошие рабочие характеристики.

Формула изобретения

Шихта для получения пенокерамического материала, содержащая микросферы, связующее и мелкодисперсный порошок оксида, по крайней мере, одного элемента из группы: титан, алюминий, кремний, отличающаяся тем, что в качестве связующего она содержит раствор силиката натрия при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Микросферы углеродные, фенолформальдегидные, крезо- - 3-35
Силикат натрия - 10-35
Мелкодисперсный порошок оксида, по крайней мере, одного элемента из группы: титан, алюминий, кремний - Остальное