СОСТАВ ШИХТЫ ДЛЯ ВЫСОКОПОРИСТОГО КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА С СЕТЧАТО-ЯЧЕИСТОЙ СТРУКТУРОЙ
COMPOSITION OF CHARGE FOR HIGH-POROSITY CERAMIC MATERIAL WITH LATTICED-CELLULAR STRUCTURE

Предлагаемое изобретение относится к химической технологии высокопористых керамических материалов с сетчато-ячеистой структурой, которые могут использоваться в качестве стационарных носителей катализаторов конверсии природного газа, нейтрализации оксидов углерода, азота и углеводородов в продуктах сжигания моторных топлив, каталитических жидкофазных гетерогенных процессов восстановления непредельных углеводородов, ароматических соединений, альдегидов, кетонов, карбоновых кислот и др., фильтров для фильтрации загрязненных жидкостей и газов, насадки для массо- и теплообменных процессов, высокотемпературных теплоизоляционных материалов и для других целей.
Для изготовления изделий из высокопористых керамических материалов с сетчато-ячеистой структурой известно использование алюмосиликатных материалов, шликер которых наносят на ретикулированный пенополиуретан, изделия отжимают от лишнего шликера, высушивают и обжигают при температурах до 1350°С (см., например. В.Н.Анциферов, С.Е.Порозова. // Высокопористые проницаемые материалы на основе алюмосиликатов. // Пермь, 1996, 207 с.).
Недостатками этих материалов являются отсутствие открытой пористости перемычек ячеек, низкая удельная поверхность, большая усадка в пределах 10-20%, что приводит к образованию конусности, деформации и отсутствию сохранения точности геометрической формы и размера изделий.
3
Свойства изделий на основе алюмосиликатов мало отличаются между собой и имеют, например, для высокопористого фарфора значения: кажущейся плотности - 0,2-0,3 г/см; общей открытой объемной пористости - 80-88%; механической прочности на сжатие - 0,1-0,5 МПа (см. В.Н.Анциферов, В.Н. Овчинникова, С.Е.Порозова, И.В.Федорова. // Высокопористые ячеистые керамические материалы. // Стекло и керамика, 1996, №9, с.19-20).
Недостатком высокопористого фарфора являются низкие значения механической прочности на сжатие (такие материалы мало пригодны для применения в качестве носителей катализаторов).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является состав шихты для изготовления высокопористого материала с сетчато-ячеистой структурой для носителей катализаторов, выбранный в качестве прототипа (см. патент РФ №2233700, приоритет от 11 июня 2002 г., 10.08.2004. Бюл. №22. Состав шихты для высокопористого материала с сетчато-ячеистой структурой для носителей катализаторов. / А.И.Козлов, Е.С.Лукин).
Высокопористый материал с сетчато-ячеистой структурой для носителей катализаторов получают воспроизведением структуры вспененного ретикулированного пенополиуретана путем нанесения шликера на полимерную матрицу, содержащего смесь инертного наполнителя в виде электроплавленного корунда, карбида кремния, кварцевого песка и дисперсный порошок оксида алюминия с добавками оксидов металлов II и IV группы таблицы Д.И.Менделеева в любом количестве с добавкой связующего с последующей сушкой изделий, выжиганием органической основы и обжигом оставшегося керамического каркаса в интервале температур 1350-1500°С. После обжига высокопористый материал с сетчато-ячеистой структурой для носителей катализаторов имеет общую объемную открытую пористость 88-92%, механическую прочность на сжатие от 0,5 до 1,8-2,0 МПа.
Используемая для пропитки полимерной матрицы керамическая суспензия имеет низкую вязкость и высокую текучесть, что позволяет равномерно наносить ее на полимерную матрицу.
К недостаткам изготовленного высокопористого материала с сетчато-ячеистой структурой относятся сравнительно низкая механическая прочность на сжатие (не превышает 2,0 МПа).
Для ряда технологических процессов требуется значительно более высокая прочность носителя катализаторов из-за очень высокой скорости подачи реакционной смеси в реакторе и возникновения больших давлений, оказываемых воздействием на носитель с катализатором при запуске реактора.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является изготовление высокопористых прочных керамических материалов с сетчато-ячеистой структурой с повышенной механической прочностью на сжатие при сохранении такой же общей объемной открытой пористости.
2
3
2
Этот технический результат достигается воспроизведением структуры вспененного ретикулированного пенополиуретана любой геометрической формы путем пропитки шликером, приготовленным из шихты следующего состава: инертный наполнитель в виде электрокорунда (размер частиц 10-14 мкм) - 5-20 мас.%, высокоглиноземистая фарфоровая масса в виде порошка (с содержанием А1О 38-45 мас.%) - 76,5-90 мас.% и упрочняющая добавка с суммарным содержанием MgO+SIC (размер частиц 0,3-1,0 мкм) - 3,5-5 мас.%, обеспечивающая повышение прочности керамических материалов с сетчато-ячеистой структурой за счет образования фазы эвтектического состава в системе MgO-SiO, структурирующей непрерывную фазу стекла в фарфоре при обжиге в интервале температур 1250-1300°С.
В качестве жидкой фазы шликера используют 5%-ный раствор поливиниловго спирта.
После пропитки заготовок шликером его избыток отжимают. Затем заготовки подвергают термообработке для выжигания органической основы и обжига керамического каркаса в интервале температур 1250-1300°С. Общая объемная открытая пористость полученного керамического изделия с сетчато-ячеистой структурой составляет 85-92%. Образцы из полученной высокопористой керамики имеют повышенную механическую прочность на сжатие от 4,0 до 7,5 МПа.
Пример №1. Образец из полиуретана пропитывают при комнатной температуре шликером, приготовленным из шихты следующего состава:
2
3
3
инертного наполнителя в виде дисперсного электрокорунда (размер частиц 10-14 мкм) - 5 мас.%, фарфоровой массы в виде порошка (с содержанием А1О 38-45 мас.%) - 90 мас.%, упрочняющей добавки с размером частиц 0,3-1,0 мкм - 5 мас.% и 5%-ного раствора поливинилового спирта, отжимают избыток шликера, сушат при температуре 100-110°С в течение 2,0-2,5 часов, а затем обжигают при температуре 1250°С. Высушенный и обожженный керамический образец с сетчато-ячеистой структурой имеет кажущуюся плотность 0,33 г/см, механическую прочность на сжатие 7,5 МПа.
Пример №2. Образец из полиуретана пропитывают при комнатной температуре шликером, приготовленным из шихты следующего состава:
2
3
3
инертного наполнителя в виде дисперсного электрокорунда (размер частиц 10-14 мкм) - 12,5 мас.%, фарфоровой массы в виде порошка (с содержанием A1O 38-45 мас.%) - 83,4 мас.%, упрочняющей добавки с размером частиц 0,3-1,0 мкм - 4,1 мас.% и 5%-ного раствора поливинилового спирта, отжимают избыток шликера, сушат при температуре 100-110°С в течение 2,0-2,5 часов, а затем обжигают при температуре 1280°С. Высушенный и обожженный керамический образец с сетчато-ячеистой структурой имеет кажущуюся плотность 0,40 г/см, механическую прочность на сжатие 5,3 МПа.
Пример №3. Образец из полиуретана пропитывают при комнатной температуре шликером, приготовленным из шихты следующего состава:
2
3
3
инертного наполнителя в виде дисперсного электрокорунда (размер частиц 10-14 мкм) - 20 мас.%, фарфоровой массы в виде порошка (с содержанием A1O 38-45 мас.%) - 76,5 мас.%, упрочняющей добавки с размером частиц 0,3-1,0 мкм - 3,5 мас.% и 5%-ного раствора поливинилового спирта, отжимают избыток шликера, сушат при температуре 100-110°С в течение 2,0-2,5 часов, а затем обжигают при температуре 1300°С. Высушенный и обожженный керамический образец с сетчато-ячеистой структурой имеет кажущуюся плотность 0,43 г/см, механическую прочность на сжатие 4,0 МПа.
2
3
1
3
Изготовление носителя с развитой поверхностью для катализатора из высокопористых прочных керамических материалов с сетчато-ячеистой структурой с разработанным составом шихты состоит в нанесении на них алюмозоля методом пропитки с последующим прокаливанием при температуре 900°С. В порах и на поверхности перемычек высокопористых прочных керамических материалов с сетчато-ячеистой структурой образуются пористые частицы γ-А1О. Алюмозоль наносят в таком количестве, чтобы удельная поверхность носителя увеличилась в несколько раз по сравнению с исходной удельной поверхностью керамического материала. Частицы γ-АО прочно припекаются к поверхности перемычек, содержащих стеклофазу заданного состава.
Полученный керамический носитель катализаторов с сетчато-ячеистой структурой характеризуется высокой механической прочностью на сжатие от 4,0 до 7,5 МПа.
Применение предлагаемого изобретения позволяет получить высокопористое прочное керамическое изделие с сетчато-ячеистой структурой полифункционального назначения.
Полученное высокопористое прочное керамическое изделие с сетчато-ячеистой структурой может найти широкое применение в качестве носителя для катализаторов для газофазных и жидкофазных процессов, в конструкциях фильтров для фильтрации загрязненных жидкостей и газов, насадки для массо- и теплообменных процессов, высокотемпературных теплоизоляционных материалов и для других целей.
x
После нанесения каталитически активного компонента на поверхность приготовленного высокопористого прочного керамического изделия с сетчато-ячеистой структурой полученный катализатор может быть использован в различных каталитических гетерогенных газофазных и жидкофазных химических процессах: конверсии природного газа, окисления СО и СН, восстановления NO, непредельных углеводородов, ароматических соединений, альдегидов, кетонов, карбоновых кислот и др.