ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КАРБИДА КРЕМНИЯ
POLYMER COMPOSITION FOR PRODUCING SILICON CARBIDE

Изобретение предназначено для химической промышленности. Термостойкие высокопористые изделия из карбида кремния используют в качестве фильтров, теплоизоляции, абсорбентов и т.д.
В настоящее время карбид кремния получают термической обработкой смесей порошков из кремнезем- и углеродсодержащего вещества в различных печах.
Из уровня техники известно, что карбид кремния получают из природной горной породы - шунгита, содержащего кремнезем и углерод [патент RU 2163563 С1, опубл. 27.02.2001; патент RU 2169701 С2, опубл. 27.06.2001] или из полимерных композиций, содержащих шунгит [патент RU 2472703 С2, опубл. 20.01.2013].
Недостатком указанных технических решений для получения карбида кремния является высокое содержание примесей в получаемом карбиде кремния.
Ближайшим аналогом заявленного изобретения, по мнению заявителя, является полимерная композиция для получения карбида кремния стехиометрического состава в виде готовых пористых изделий, содержащая порошкообразное фенольное связующее в количестве 47-48 мас.%, смазку в количестве 3-5 мас.% и носитель диоксида кремния, в качестве которого используют биокремнезем в количестве 48-50 мас.% [патент RU 2542275 С1, опубл. 20.02.2015]. Предварительно сформованные заготовки изделий из указанной полимерной композиции нагревают до 800°C в защитной от окисления среде со скоростью 400-600°С/ч при атмосферном давлении, выдерживают при 800°C в течение 1 часа и охлаждают с печью. Синтез карбида кремния осуществляют в изделиях, прошедших термообработку при 800°C, путем нагревания до 1300-1500°C со скоростью 400-700°C/ч при давлении в вакуумной печи 0,02-0,06 кПа.
Недостатком известной полимерной композиции для получения карбида кремния является наличие примесей в получаемом карбиде кремния.
Технический результат заявленного изобретения заключается в расширении источников сырья для получения карбида кремния, повышении химической чистоты готового продукта, а также в рациональном использовании промышленных отходов производства кварцевого волокна.
Указанный технический результат достигается тем, что полимерная композиция для получения карбида кремния стехиометрического состава в виде пористых изделий содержит порошкообразное фенольное связующее, смазку и носитель диоксида кремния, представляющий собой измельченные кварцевые волокна из промышленных отходов их производства, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Измельченные кварцевые волокна
45,2-48,7
Фенольное связующее
46,1-52,0
Смазка
2,0-5,5
Полимерную композицию и изделия-заготовки из нее готовят известными приемами, принятыми в производстве фенопластов и изделий из них [Кацнельсон М.Ю., Балаев Г.А. Пластические массы: Свойства и применение: Справочник. - 3-е изд. перераб. - Л.: Химия, 1978. - 384 с.].
2
В предлагаемой композиции используют выпускаемое промышленностью порошкообразное фенольное связующее на основе новолачной фенолоформальдегидной смолы и уротропина, которое, во-первых, позволяет получать изделия-заготовки из композиции с измельченным кварцевым волокном (SiO) и смазкой высокоэкономичным способом, принятым в технологии пластмасс, и, во-вторых, являясь углеродоносителем, позволяет получать карбид кремния стехиометрического состава.
Кварцевое волокно обладает редким сочетанием свойств: высокой прочностью при растяжении и сжатии, негорючестью, термостойкостью, малой гигроскопичностью, стойкостью к химическому и биологическому воздействию. Из него изготовляют материалы с высокими электро-, тепло-, звукоизоляционными свойствами и механической прочностью. На основе волокнистых материалов изготавливаются различные виды изделий, которые успешно заменяют традиционные материалы, а также имеют только им присущие области применения.
2
Химический состав SiO (мас.%) - 99,9%.
3
Плотность - 2,21 г/см.
Температура размягчения - 1670°C.
Промышленные отходы кварцевого волокна могут содержать до 12% продуктов, удаляемых при прокаливании. Измельченные в крошку отходы кварцевого волокна, например, в виде обрезков нетканых материалов дозируют вместе с остальными компонентами согласно рецептуре в вибрационную или шаровую мельницу, где происходит одновременно измельчение волокон и смешение - получение шихты (примеры 1 и 2). Возможно предварительное измельчение волокна и последующее смешение для получения шихты (примеры 3-5).
Изделия из предлагаемой полимерной композиции выдерживают высокие скорости нагревания вплоть до 400-600°C/ч без растрескивания на первой стадии термообработки, которая проводится для карбонизации фенольного связующего, и до 100°C/мин при нагревании до 1300-1500°C для синтеза карбида. Необязательна предварительная термообработка кварцевых волокон, т.к. при нагревании изделий до 800°C органические продукты удаляются полностью (примеры 1, 3-5: содержание органических примесей составляло 9,85%). Для удаления свободного углерода изделия нагревают и выдерживают на воздухе при 700°C в течение 4 часов (примеры 1-3, 5).
В качестве смазки могут применяться вещества, обычно используемые в производстве фенопластов и изделий из них [Кацнельсон М.Ю., Балаев Г.А. Пластические массы: Свойства и применение: Справочник. - 3-е изд. перераб. - Л.: Химия, 1978. - 384 с.]. Предпочтительно в качестве смазки используют стеарин или стеарат цинка в количествах, обеспечивающих необходимые технологические свойства композиций при изготовлении изделий-заготовок.
Настоящее изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1
Изделия-заготовки из полимерной композиции, полученной в соответствии с рецептурой, приведенной в таблице 1, нагревают в защитной от окисления среде, например, в коксовой засыпке в камерной или муфельной печи до 800°C со скоростью 600°C/ч и выдерживают при этой температуре 1 час, охлаждают с печью. Термообработанные изделия загружают в вакуумную печь и нагревают до 1400°C со скоростью 100°C/мин при давлении в печи 0,02 кПа, выдерживают при температуре 1400°C 4 часа и охлаждают при указанном давлении. Готовый продукт отличается высокой химической чистотой, отсутствием трудно удаляемых неорганических примесей, высокой пористостью и достаточной прочностью.
Примеры 2-5 выполняют, как описано выше с тем отличием, которое указано в таблице 1 по составу шихты и условиями подготовки наполнителя (описано выше).
Рентгенофазный анализ структуры изготовленного из предлагаемой композиции тугоплавкого материала в виде пористых изделий показал, что получен карбид кремния с кубической структурой (а=4,3573Å), соответствующей β-модификации.
Общая пористость изделий 76-88%, открытая пористость 74-86%. При такой высокой пористости и химической чистоте карбида кремния изделия обладают более высокой механической прочностью по сравнению с прототипом.
Конгруэнтная усадка изделий из предлагаемой композиции при нагревании, в результате которого происходят процессы карбонизации фенольного связующего и последующего образования карбида кремния, позволяет формовать изделия сложной конфигурации и исключить механическую обработку.
2
Таким образом, из предлагаемой полимерной композиции получают карбид кремния стехиометрического состава в виде готовых высокопористых изделий заданной конфигурации, не требующих дополнительной обработки, при этом в готовом продукте отсутствуют трудно удаляемые неорганические примеси. Применение SiO, получаемого измельчением кварцевого волокна, позволяет решить проблему рационального использования промышленных отходов и гарантировать получение высокочистого химического продукта - карбида кремния и изделий из него с высокой прочностью.