PL208757B1

PL208757B1 - Sposób wytwarzania porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu, oraz uformowana kształtka o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu

Info

Publication number: PL208757B1
Application number: PL375506A
Authority: PL
Inventors: Yasushi Uchida; Aiko Otsuka; Shuichi Ichikawa
Original assignee: Ngk Insulators Ltd
Priority date: 2002-10-23
Filing date: 2003-10-21
Publication date: 2011-06-30
Also published as: JP4750343B2; AU2003273066A1; EP1555254B1; KR20050073567A; US20060003143A1; PL375506A1; KR100639145B1; JP2004142978A; DE60331571D1; EP1555254A4; WO2004037745A1; EP1555254A1

Abstract

Wynalazek dotyczy sposobu wytwarzania porowatej struktury komórkowej podobnej do plastra pszczelego, który obejmuje etapy mieszania co najmniej ziarnistego materiału kruszywa złożonego z materiału ceramicznego i/lub metalu, wody, spoiwa organicznego, środka spieniającego oraz cząstek koloidalnych; zagniatania tej mieszaniny w celu utworzenia surowca; formowania z tego surowca kształtki struktury komórkowej podobnej do plastra pszczelego, posiadającej wiele komórek stanowiących drogi przepływu płynu; suszenia kształtki w celu otrzymania kształtki o strukturze komórkowej podobnej do plastra pszczelego; prażenia tej kształtki o strukturze komórkowej podobnej do plastra pszczelego w celu otrzymania kształtki prażonej; oraz wypalania prażonej kształtki w celu uzyskania porowatej struktury komórkowej podobnej do plastra pszczelego.

Description

Opis wynalazku

Dziedzina techniki

Przedmiotowy wynalazek dotyczy sposobu wytwarzania porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu, korzystnie przeznaczonej do stosowania jako filtr sadzy oraz uformowanej kształtki o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu, a zwłaszcza sposobu wytwarzania porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu, zdolnej do skutecznego zapobiegania sytuacji, w której porowata struktura komórkowa o budowie plastra miodu, pęka lub zapada się pod własnym ciężarem podczas wytwarzania tej porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu, o dużej porowatości, jak również uformowana kształtka o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu.

Stan techniki

Porowata struktura komórkowa o budowie plastra miodu, wykonana z ceramiki o lepszej odporności na wysoką temperaturę lub korozję używana jest jako filtr sadzy w takich zastosowaniach, jak środki zabezpieczające środowisko przed zanieczyszczaniem itp. oraz odzyskiwanie produktu z gorącego gazu w różnych branżach, takich jak chemia, energetyka, hutnictwo żelaza i stali, usuwanie odpadów przemysłowych. Przykładowo porowatą strukturę komórkową o budowie plastra miodu, stosuje się korzystnie jako filtr sadzy, do atmosfery gorącego gazu powodującego korozję, na przykład jako filtr cząstek stałych ze spalin z silnika wysokoprężnego, który zatrzymuje cząstki stałe pochodzące z silnika wysokoprężnego.

Przykłady filtra sadzy z porowatą strukturą komórkową o budowie plastra miodu, obejmują strukturę, w której przykładowo, jak pokazano na fig. 1, końcowa powierzchnia B po stronie wlotowej i końcowa powierzchnia C po stronie wylotowej wielu komórek 23 porowatej struktury 21 komórkowej o budowie plastra miodu jest na przemian zatkana przez zamykające części 23. W porowatej strukturze komórkowej o budowie plastra miodu, wykonanej w taki sposób, kiedy oczyszczany gaz G1 jest wprowadzany w komórkę 23 od końcowej powierzchni B po stronie wlotowej, wówczas cząstki stałe są zatrzymywane przez przegrody 24. Z drugiej strony oczyszczony gaz G2 po przepływie w sąsiednią komórkę 23 przez porowatą przegrodę 24 jest wyprowadzany z końcowej powierzchni C strony wylotowej. Dzięki temu można otrzymać oczyszczony G2, z którego zostały usunięte cząstki stałe zawarte w gazie G1·

Ostatnio, ponieważ trzeba zwiększyć zdolność zatrzymywania sadzy przez filtr, powstało zapotrzebowanie zwłaszcza na silnie porowatą strukturę komórkową o budowie plastra miodu o małym spadku ciśnienia spośród opisanych wyżej porowatych struktur komórkowych o budowie plastra miodu. Jako sposób wytwarzania takiej silnie porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu opisano sposób wytwarzania porowatego filtru o strukturze komórkowej, według którego materiał kordierytowy, wodę, dodatkowo spoiwo (spoiwo organiczne, takie jak metyloceluloza), środek porotwórczy (materiał organiczny, taki jak grafit) itp. zagniata się i plastyczny materiał (w niniejszym opisie nazywany gliną) formuje się, suszy i wypala (patrz np. japońskie wyłożeniowe zgłoszenie patentowe nr 2002-219319). Zgodnie z tym sposobem wytwarzania, ponieważ spoiwo lub środek porotwórczy wypala się, aby powstały na skutek tego pory w kształtce, można otrzymać silnie porowatą strukturę komórkową o budowie plastra miodu.

Jednakże w opisanym powyżej sposobie wytwarzania, kiedy w glinie zawarta jest duża ilość spoiwa i środka porotwórczego w celu wytwarzania silnie porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu, ta struktura komórkowa o budowie plastra miodu pęka podczas wypalania kształtki, a w skrajnym przypadku występuje problem polegający na tym, że ta porowata struktura komórkowa o budowie plastra miodu zapada się pod swym własnym ciężarem.

Niniejszy wynalazek został opracowany w celu uwzględnienia opisanych powyżej problemów konwencjonalnych sposobów, a jego celem jest uzyskanie sposobu wytwarzania porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu nadającego się do skutecznego zapobiegania sytuacji, w której porowata struktura komórkowa o budowie plastra miodu pęka lub zapada się pod swym własnym ciężarem podczas wypalania uformowanej kształtki, jak również uformowanej kształtki o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu.

W wyniku intensywnych badań mających na celu rozwiązanie opisanych powyżej problemów wynalazca stwierdził, że opisany powyżej cel można osiągnąć, kiedy cząstki koloidalne są zawarte w glinie używanej do formowania i opracował niniejszy wynalazek. To znaczy według przedmiotowego wynalazku opracowany został następujący sposób wytwarzania porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu oraz uformowana kształtka o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu.

PL 208 757 B1

Istota wynalazku

Sposób wytwarzania porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu, w którym miesza się i zagniata przynajmniej ziarniste kruszywo złożone z materiału ceramicznego i/lub metalu, wody, spoiwa organicznego, środka porotwórczego i cząstek koloidalnych, i otrzymuje się materiał nadający się do formowania; formuje się z tego materiału kształtkę o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu, posiadającą wiele komórek tworzących kanały przepływu płynów; suszy się kształtkę o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu ze wspomnianego materiału; praży się uformowaną kształtkę o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu i otrzymuje się wyprażoną kształtkę; a następnie wypala się wyprażoną kształtkę i otrzymuje się porowatą strukturę komórkową o budowie plastra miodu, charakteryzuje się tym, że materiał nadający się do formowania zawiera 0,1-10 części mas. cząstek koloidalnych w stosunku do 100 części mas. ziarnistego kruszywa, oraz tym, że ziarniste kruszywo zawiera co najmniej jeden rodzaj składnika wybrany spośród materiału kordierytowego, który oznacza substancję przetwarzaną w kordieryt przez wypalenie tak, że wypalona mieszanka ma skład 2MgO^2AI₂O₃^5SiO₂, mulitu, tlenku glinowego, tytanianu glinu, krzemianu litowo-glinowego, węglika krzemu, azotku krzemu i metalicznego krzemu, a całkowita masa tego składnika stanowi co najmniej 50% mas. w stosunku do całkowitej masy ziarnistego kruszywa.

Korzystnie jest kiedy materiał nadający się do formowania zawiera źródło metalu alkalicznego odpowiadające 0,01-10 części mas. metalu alkalicznego w przeliczeniu na metal alkaliczny w stosunku do 100 części mas. ziarnistego kruszywa.

Uformowana kształtka o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu, według wynalazku, zawierająca materiał nadający się do formowania uformowany w kształtkę o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu posiadającą wiele komórek stanowiących kanały przepływu płynów, przy czym materiał nadający się do formowania zawiera co najmniej ziarniste kruszywo złożone z materiału ceramicznego i/lub metalu, wody, spoiwa organicznego, środka porotwórczego i cząstek koloidalnych, charakteryzuje się tym, że materiał nadający się do formowania zawiera 0,1-10 części mas. cząstek koloidalnych w stosunku do 100 części mas. ziarnistego kruszywa, oraz tym, że ziarniste kruszywo zawiera co najmniej jeden rodzaj składnika wybranego spośród materiału kordierytowego, który oznacza substancję przetwarzaną w kordieryt przez wypalenie tak, że wypalona mieszanka ma skład 2MgO^2AI₂O₃^5SiO₂, mulitu, tlenku glinowego, tytanianu glinu, krzemianu litowo-glinowego, węglika krzemu, azotku krzemu i metalicznego krzemu, a całkowita masa tego składnika stanowi co najmniej 50% mas. w stosunku do całkowitej masy ziarnistego kruszywa.

Korzystnie jest, kiedy materiał nadający się do formowania zawiera źródło metalu alkalicznego odpowiadające 0,01-10 części mas. metalu alkalicznego w przeliczeniu na metal alkaliczny w stosunku do 100 części mas. ziarnistego kruszywa.

Krótki opis rysunków

Fig. 1 przedstawia schematycznie przykład filtra do zbierania sadzy z wykorzystaniem porowatej struktury o budowie plastra miodu;

fig. 2 przedstawia schematycznie uformowaną kształtkę według wynalazku na przykładzie porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu; oraz fig. 3 przedstawia schematycznie sposób oceniania wytrzymałości prażonej uformowanej kształtki.

Najlepszy tryb realizacji wynalazku

Poniżej zostanie opisany konkretnie najlepszy tryb przeprowadzania sposobu wytwarzania porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu według przedmiotowego wynalazku.

Aby opracować sposób wytwarzania porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu według przedmiotowego wynalazku wynalazca zbadał przyczyny pękania i zapadania się porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu pod swym własnym ciężarem podczas wypalania kształtki. W rezultacie za pierwszą przyczynę uznano to, że przy wypalaniu kształtki duża ilość spoiwa i substancji porotwórczej spala się i wytwarza ciepło, przy czym temperatura wypalanej kształtki gwałtownie wzrasta i powstają duże naprężenia cieplne. Drugą przyczyną jest to, że spoiwo zawarte w glinie ulega żelowaniu i działa jako czynnik wzmacniający, by utrzymywać mechaniczną wytrzymałość kształtki przed wypalaniem. Jednakże podczas wypalania kształtki spoiwo, które działało jako czynnik wzmacniający, jest wypalane i występuje zjawisko, w którym mechaniczna wytrzymałość uformowanej kształtki gwałtownie maleje. Ponadto trzecią przyczyną jest to, że zjawisko to staje się intensywniejsze w silnie porowatej strukturze po wypaleniu substancji porotwórczej.

PL 208 757 B1

W celu rozwiązania problemu według przedmiotowego wynalazku materiał, który działa jako czynnik wzmacniający nawet po wypaleniu spoiwa, jest oddzielnie dodawany do gliny przeznaczonej do formowania.

Konkretnie glina wykorzystywana do formowania zawiera cząstki koloidalne, takie jak zol krzemionkowy. Ponieważ cząstki koloidalne twardnieją na skutek reakcji kondensacji dehydratacyjnej itp. w stosunkowo niskiej temperaturze, dział anie tych czą stek jako czynnika wzmacniającego, nawet po wypaleniu spoiwa i zmniejszeniu wytrzymałości mechanicznej kształtki (dalej porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu) może być uniemożliwione. Dlatego, w sytuacji w której porowata struktura komórkowa o budowie plastra miodu pęka, można skutecznie uniknąć nawet wtedy, gdy duża ilość spoiwa i środka porotwórczego spala się wytwarzając ciepło, na skutek czego temperatura kształtki wypalanej gwałtownie wzrasta i powstają duże naprężenia cieple. Sytuacji, w której porowata struktura komórkowa o budowie plastra miodu zapada się pod swym własnym ciężarem, można skutecznie uniknąć nawet w silnie porowatej strukturze po wypaleniu środka porotwórczego.

(1) Pierwszy etap (przygotowanie gliny)

Zgodnie ze sposobem wytwarzania według przedmiotowego wynalazku najpierw miesza się przynajmniej cząstkowy materiał stanowiący kruszywo, utworzony z materiału ceramicznego i/lub metalu, wodę, spoiwo organiczne, środek porotwórczy oraz cząstki koloidalne i zagniata w celu wytworzenia gliny.

Cząstkami kruszywa są cząstki, które stanowią główne składniki porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu (spieczonej kształtki), a takie ziarniste kruszywo stanowi surowiec. Ziarniste kruszywo zawiera co najmniej jeden rodzaj składnika wybranego z grupy złożonej z kordierytu, mulitu, tlenku glinowego, tytanianu glinu, krzemianu litowo-glinowego, węglika krzemu, azotku krzemu i metalicznego krzemu, przy czym cał a masa takiego skł adnika stanowi co najmniej 50% masy cał kowitej ziarnistego kruszywa. Jest to korzystne z punktu widzenia zwiększenia wytrzymałości na wysoką temperaturę.

Stosowane w niniejszym opisie określenie materiał kordierytowy oznacza substancję przetwarzaną w kordieryt przez wypalanie, np. talk, kaolin, tlenek glinowy, krzemionka itp. zmieszane w taki sposób, że wypalona mieszanka ma teoretycznie skład kordierytu (2MgO*2AI₂O₃*5SiO₂). Metaliczny krzem nie jest materiałem ceramicznym, ale jest czasami materiałem wchodzącym w skład spieczonej kształtki Si-SiC, w której węglik krzemu i metaliczny krzem stanowią ziarniste kruszywa.

Organiczne spoiwo jest dodatkiem, który jest żelowany w kształtce (glinie) przed wypaleniem i spełnia rolę czynnika wzmacniającego, by utrzymać wytrzymałość mechaniczną uformowanej kształtki. Dlatego jako spoiwo szczególnie korzystnie są użyteczne organiczne polimery nadające się do żelowania w kształtce (glinie), takie jak hydroksypropoksylometyloceluloza, hydroksypropylometyloceluloza, metyloceluloza, hydroksyetyloceluloza, karboksylometyloceluloza oraz alkohol poliwinylowy.

Środek porotwórczy jest dodatkiem, który wypala się podczas wypalania kształtki i tworzy pory, by zwiększyć przez to porowatość tak, że otrzymuje się porowatą strukturę komórkową o budowie plastra miodu o dużej porowatości. Dlatego przykłady środka porotwórczego obejmują materiały organiczne, które wypalają się podczas wypalania kształtki, takie jak grafit, mąka, skrobia, żywica fenolowa, polimetakrylan metylu, polietylen oraz politereftalan etylenu. Przede wszystkim szczególnie korzystnie są użyteczne mikrokapsułki (na bazie żywicy akrylowej itd.) utworzone ze spienionej żywicy. Ponieważ mikrokapsułka utworzona ze spienionej żywicy jest wewnątrz pusta, można otrzymać porowatą strukturę komórkową o budowie plastra miodu o dużej porowatości przez dodanie niewielkiej ilości mikrokapsułek. Dodatkowo korzystne jest, by podczas wypalania wytwarzana była niewielka ilość ciepła, i by można było zmniejszyć powstawanie naprężeń cieplnych.

Cząstki koloidalne są dodatkami, które twardnieją na skutek reakcji kondensacji dehydratacyjnej itp. w stosunkowo niskiej temperaturze i działają jako czynnik wzmacniający, by spajać cząstki kruszywa ze sobą nawet po wypaleniu spoiwa. Przykłady cząstek koloidalnych obejmują cząstki koloidalne wytworzone z materiału nieorganicznego, który nie spala się podczas wypalania kształtki, takiego jak zol krzemionkowy, zol tlenku glinowego, alkoksylan metalu i szkło wodne. Spośród takich cząstek koloidalnych są korzystnie wybierane do użycia i stosowane cząstki koloidalne, których temperatura twardnienia jest mała w porównaniu z temperaturą spalania spoiwa lub środka porotwórczego. Dodana ilość i skład dodawanych cząstek koloidalnych są korzystnie wybierane i stosowane jako część materiału początkowego w taki sposób, aby były dostosowane do docelowego składu spieczonej kształtki.

PL 208 757 B1

Jeśli chodzi o zawartość cząstek koloidalnych, glina stosowana do formowania korzystnie zawiera 0,1-10 części mas. cząstek koloidalnych w stosunku do 100 części mas. ziarnistego kruszywa, korzystniej 0,2-5,0 części mas. koloidalnych cząstek, a szczególnie korzystnie 0,4-2,0 części mas. koloidalnych cząstek.

Kiedy zawartość cząstek koloidalnych jest ustawiona w podanym powyżej zakresie w etapie prażenia i w etapie wypalania, otrzymana wypalona kształtka ma wytrzymałość co najmniej 0,01 kG/cm², a w sytuacji, w której wypalona kształtka (dalej porowata struktura komórkowa o budowie plastra miodu) pęka lub zapada się pod własnym ciężarem, można skutecznie uniknąć (należy zauważyć, że sposób mierzenia wymienionej wyżej wytrzymałości zostanie opisany szczegółowo w punktach przykładów). Z drugiej strony, kiedy zawartość cząstek koloidalnych jest mniejsza niż podany powyżej zakres, jest to niekorzystne, ponieważ utrzymywanie wytrzymałości mechanicznej wypalonej uformowanej kształtki jest niewystarczające po wypaleniu spoiwa. Kiedy zawartość ta jest powyżej podanego zakresu, jest to niekorzystne, ponieważ uzyskuje się utrzymywanie wytrzymałości mechanicznej wypalonej uformowanej kształtki, ale cząstki koloidalne wypełniają pory wypalonej kształtki (dalej porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu) i porowatość maleje.

Według przedmiotowego wynalazku glina musi zawierać przynajmniej ziarniste kruszywo, wodę, spoiwo organiczne, środek porotwórczy i cząstki koloidalne. Kiedy ziarniste kruszywo zawiera krzem (materiał kordierytowy, mulit, krzemian litowo-glinowy, węglik krzemu, azotek krzemu, metaliczny krzem itd), zawarte jest korzystnie źródło metalu alkalicznego. Takie źródło metalu alkalicznego wytwarza wodorotlenek, gdy jest rozpuszczane wodą zawartą w glinie, i reaguje z krzemionką nieuchronnie obecną na powierzchni ziarnistego kruszywa zawierającego krzem, by tworzyć krzemiany metali alkalicznych (szkło wodne) (patrz podane poniżej równanie reakcji (1)). Takie szkło wodne działa jako czynnik wzmacniający nawet po wypaleniu spoiwa i można uniknąć zmniejszenia wytrzymałości mechanicznej uformowanej kształtki (dalej porowata struktura komórkowa o budowie plastra miodu).

2KOH + SiO K2O · SiO₂ + H₂O (1)

Źródło metalu alkalicznego nie jest szczególnie ograniczone, jeżeli materiał ten nadaje się do reagowania z wodą i uwalniania przez to jonów metali alkalicznych, a jego przykłady obejmują sole nieorganiczne metali alkalicznych, takie jak tlenek i wodorotlenek oraz sole organiczne metali alkalicznych, takie jak sól kwasu tłuszczowego. Rodzaj metalu alkalicznego nie jest szczególnie ograniczony, ale korzystne są potas i sód.

Jako opisane powyżej źródło metalu alkalicznego, glina stosowana do formowania korzystnie zawiera źródło metalu alkalicznego odpowiadające 0,01-10 części mas. metalu alkalicznego w przeliczeniu na metal alkaliczny w stosunku do 100 części mas. ziarnistego kruszywa, korzystniej zawiera źródło metalu alkalicznego odpowiadające 0,02-5 części mas., a szczególnie korzystnie zawiera źródło metalu alkalicznego odpowiadające 0,03-1 części mas.

Opisana powyżej glina w razie potrzeby może zawierać inny dodatek. Przykładowo może zawierać środek dyspergujący (środek powierzchniowo czynny) itp., by wspomagać dyspergowanie w wodzie, która jest medium tworzącym zawiesinę. Przykłady środka polepszającego dyspergowanie obejmują glikol etylowy, dekstrynę, mydło kwasu tłuszczowego, polialkohol itp.

Opisane powyżej ziarniste kruszywo, wodę, spoiwo organiczne, środek porotwórczy, cząstki koloidalne itp. miesza się i zagniata, np. w podciśnieniowej zagniatarce, aby przygotować glinę o odpowiedniej lepkości.

(2) Drugi etap (formowanie i suszenie)

Następnie z przygotowanej według powyższego opisu gliny formuje się kształtkę o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu, posiadającą wiele komórek tworzących kanały przepływowe dla płynów i suszy się, by przez to otrzymać uformowaną kształtkę o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu.

Uformowana kształtka o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu w niniejszym opisie oznacza kształtkę, np. porowatą strukturę komórkową 1 o budowie plastra miodu, pokazaną na fig. 2, która jest przedzielona bardzo cienkimi przegrodami 4, by otrzymać przez to wiele komórek 3 tworzących kanały przepływu płynu. Całkowity kształt uformowanej kształtki o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu nie jest szczególnie ograniczony, a przykłady tego kształtu obejmują nie tylko kształt cylindryczny, pokazany na fig. 2, ale również kształt graniastosłupa o podstawie kwadratowej oraz graniastosłupa o podstawie trójkątnej. Kształt komórki (kształt komórki w przekroju prostopadłym do kierunku tworzenia komórki) uformowanej kształtki o strukturze komórkowej o budowie plastra mio6

PL 208 757 B1 du nie jest szczególnie ograniczony, a przykłady obejmują kształty nie tylko komórki o przekroju czworokątnym, pokazana na fig. 2, ale również komórkę sześciokątną i komórkę trójkątną.

Sposób formowania nie jest szczególnie ograniczony, a więc można stosować znane sposoby formowania, takie jak formowanie wytłoczeniowe, formowanie przez wtrysk i prasowanie, a przede wszystkim korzystny jest sposób, według którego glinę przygotowaną, jak opisano powyżej, wytłacza się za pomocą dyszy o żądanym kształcie komórki, żądanej grubości ścianek i gęstości komórek. Sposób suszenia nie jest szczególnie ograniczony, a więc można stosować znane sposoby suszenia, takie jak suszenie gorącym powietrzem, suszenie mikrofalowe, suszenie dielektryczne, suszenie pod zmniejszonym ciśnieniem, suszenie próżniowe i suszenie przez wymrażanie, a przede wszystkim sposób suszenia uzyskany przez połączenie suszenia gorącym powietrzem i suszenia mikrofalowego albo suszenia dielektrycznego jest korzystny dlatego, że całą uformowaną kształtkę można szybko i równomiernie suszyć .

Uformowana kształtka o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu według przedmiotowego wynalazku, otrzymana jak opisano powyżej, zawiera glinę złożoną przynajmniej z ziarnistego kruszywa z materiału ceramicznego i/lub metalu, wody, organicznego spoiwa, środka porotwórczego i cząstek koloidalnych, a uformowana kształtka o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu jest wytwarzana jako kształtka o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu posiadająca wiele komórek stanowiących kanały przepływu płynu. Taka uformowana kształtka o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu umoż liwia skuteczne uniknię cie sytuacji, w której porowata struktura komórkowa o budowie plastra miodu zapada się pod własnym ciężarem podczas wypalania uformowanej kształtki. Działanie takie zwiększa się zwłaszcza wtedy, gdy glina zawiera 0,1-10 części mas. cząstek koloidalnych w odniesieniu do 100 części mas. ziarnistego kruszywa.

(3) Trzeci etap (prażenie)

Uformowaną kształtkę o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu, otrzymaną jak opisano powyżej, praży się następnie (odtłuszcza), aby utworzyć przez to kształtkę prażoną. Prażenie oznacza operację mającą na celu spalenie i usunięcie materiałów organicznych (spoiwa, środka porotwórczego, środka dyspergującego itd.) w uformowanej kształtce, a równocześnie w trakcie tego sposobu wytwarzania według przedmiotowego wynalazku przeprowadza się też reakcję kondensacji dehydratacynej itp. cząstek koloidalnych. Zwykle, ponieważ temperatura spalania spoiwa wynosi w przybliżeniu 160°C, a temperatura spalania środka porotwórczego wynosi w przybliżeniu 300°C, temperatura prażenia jest ustawiana na wartość 200-1000°C. Czas prażenia nie jest szczególnie ograniczony, ale zwykle wynosi 1-10 h.

(4) Czwarty etap (wypalanie)

Wreszcie, prażoną kształtkę otrzymaną jak opisano powyżej wypala się, by otrzymać przez to porowatą strukturę komórkową o budowie plastra miodu. Wypalanie jest operacją mającą na celu spieczenie i zagęszczenie ziarnistego kruszywa w prażonej kształtce, by zapewnić określoną wytrzymałość. Ponieważ warunki wypalania (temperatura i czas) są różne w zależności od rodzaju ziarnistego kruszywa, można wybrać odpowiednie warunki w zależności od rodzaju stosowanego ziarnistego kruszywa. Przykładowo, kiedy jako ziarniste kruszywo stosuje się materiał kordierytowy, uformowaną kształtkę korzystnie wypala się w temperaturze 1410-1440°C przez 3-7 h.

P r z y k ł a d y

Przedmiotowy wynalazek zostanie dalej opisany konkretnie w przykładach, w których wytwarzano silnie porowate struktury komórkowe o budowie plastra miodu o porowatości 60% oraz w przykładach porównawczych. Ponadto przykłady te nie stanowią żadnego ograniczenia przedmiotowego wynalazku. Należy zauważyć, że, jeśli chodzi o przeciętne średnice cząstek ziarnistego kruszywa w następujących przykładach i w przykładach porównawczych stosowano przeciętną średnicę czą stek (50% kruszywa) zmierzoną za pomocą urządzenia do pomiaru rozkładu wielkości ziaren na zasadzie przepuszczania promieni rentgenowskich (np. urządzenie Sedigraph 5000-02 produkcji firmy Shimadzu Corp.), stosując jako zasadę pomiaru sposób wytrącania fazy ciekłej według Stokes'a i przeprowadzając detekcję sposobem polegającym na przepuszczaniu promieni rentgenowskich.

Wytwarzanie formowanej kształtki o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu.

P r z y k ł a d 1

Jako ziarniste kruszywo przygotowano razem 100 części mas. zawierających 80 części mas.

sproszkowanego węglika krzemu o przeciętnej średnicy cząstek 33,0 μm i 20 części mas. sproszkowanego metalicznego krzemu o przeciętnej średnicy cząstek 4,0 μm. Ponadto w odniesieniu do 100 części mas. takiego ziarnistego kruszywa dodano 1,2 części mas. (w przeliczeniu na zawartość ciała

PL 208 757 B1 stałego) zolu krzemionkowego, który stanowił cząstki koloidalne oraz 0,3 części mas. laurynianu potasu, który był źródłem metalu alkalicznego. Ponadto dodano metylocelulozy i hydroksypropoksylometylocelulozy, które były spoiwami organicznymi, skrobi, która była środkiem porotwórczym oraz odpowiednią ilość wody i wymieszano oraz zagnieciono w zagniatarce próżniowej, aby przygotować glinę. Z opisanej powyżej gliny uformowano kształtkę o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu przez wytłaczanie gliny za pomocą dyszy mającej kształt komórki, grubość przegród i gęstość komórek, jak opisano dalej, a następnie suszono przez połączenie suszenia gorącym powietrzem i suszenia mikrofalowego, by otrzymać uformowaną kształtkę o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu. W całej tak otrzymanej kształtce powierzchnia końcowa (powierzchnia otwarcia komórek) miała kształt kwadratu o boku 35 mm, długość wynosiła 152 mm, komórka miała kształt kwadratu o boku 1,15 mm, grubość przegrody wynosiła 310 μm, a gęstość komórek wynosiła w przybliżeniu 46,5 komórki/cm² (300 komórek na cal kwadratowy), zaś całkowita liczba komórek wynosiła 576.

P r z y k ł a d y 2, 3

Uformowaną kształtkę o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu otrzymano takim samym sposobem jak w przykładzie 1, z tym wyjątkiem, że dodana ilość cząstek koloidalnych wynosiła 0,1 części mas. (przykład 2) i 10,0 części mas (przykład 3).

P r z y k ł a d 4

Jako ziarniste kruszywo przygotowano razem 100 części mas. zawierające 98 części mas. sproszkowanego tlenku glinowego o przeciętnej średnicy cząstek 6,0 μm oraz 2 części mas. sproszkowanej krzemionki o przeciętnej średnicy cząstek 5,0 μm. Ponadto w stosunku do 100 części mas. takiego ziarnistego kruszywa dodano 1,5 części mas. (w przeliczeniu na zawartość ciała stałego) zolu krzemionkowego, który stanowił cząstki koloidalne. Ponadto dodano metylocelulozy i hydroksypropylometylocelulozy, które były spoiwami organicznymi, skrobi, która była środkiem porotwórczym, glikolu etylenowego, który był środkiem dyspergującym (środkiem powierzchniowo czynnym) oraz odpowiednią ilość wody i wymieszano oraz zagnieciono w zagniatarce próżniowej, by przygotować glinę.

Z opisanej powyżej gliny formowano kształtkę o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu przez wytłaczanie gliny przy użyciu dyszy mającej kształt komórek, grubość przegród i gęstość komórek, opisane dalej, a następnie suszono metodą suszenia otrzymaną przez połączenie suszenia gorącym powietrzem i suszenia dielektrycznego, by otrzymać uformowaną kształtkę o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu. Jeśli chodzi o cały kształt otrzymanej uformowanej kształtki o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu, powierzchnia końcowa (powierzchnia otwarcia komórek) miała kształt kwadratu o boku 50 mm, długość wynosiła 50 mm, komórka miała kształt kwadratu o boku 2,1 mm, grubość przegród wynosiła 440 μm, gęstość komórek wynosiła w przybliżeniu 15,5 komórki/cm² (100 komórek na cal kwadratowy), a całkowita liczba komórek wynosiła 400.

P o r ó w n a w c z y p r z y k ł a d 1

Uformowaną kształtkę o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu otrzymano w taki sam sposób jak w przykładzie 1, z tym wyjątkiem, że nie dodano żadnych cząstek koloidalnych, ani źródła metalu alkalicznego.

P o r ó w n a w c z y p r z y k ł a d 2

Uformowaną kształtkę o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu otrzymano w taki sam sposób jak w przykładzie 1, z tym wyjątkiem, że dodana ilość cząstek koloidalnych wynosiła 15,0 części mas.

Prażenie

Uformowane kształtki o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu z przykładów 1-4 i z porównawczego przykładu 1 i 2, opisanych powyżej, prażono (odtłuszczano) w temperaturze w przybliżeniu 400°C w atmosferze przez 5 godzin, przez co otrzymano wyprażone kształtki.

Wypalanie

Wyprażone kształtki z przykładów 1-3 oraz z porównawczych przykładów 1 i 2, opisanych powyżej, wypalano w temperaturze w przybliżeniu 1450°C w atmosferze argonu przez 2 godziny, aby otrzymać przez to porowate struktury komórkowe o budowie plastra miodu. Prażoną kształtkę z przykładu 4 wypalano w temperaturze w przybliżeniu 1650°C w atmosferze przez 2 godziny, aby otrzymać przez to porowatą strukturę komórkową o budowie plastra miodu.

Ocena

W odniesieniu do prażonych kształtek i porowatych struktur komórkowych o budowie plastra miodu z przykładów 1-4 oraz z porównawczych przykładów 1 i 2, opisanych powyżej, (1) wytrzymałość

PL 208 757 B1 prażonej uformowanej kształtki, (2) stan prażonej uformowanej kształtki oraz (3) porowatość porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu oceniano następującym sposobem.

(1) Wytrzymałość prażonej uformowanej kształtki

Wytrzymałość mierzono zgodnie z metodą Compressive Strength Test Method of Fine Ceramics (sposób badania wytrzymałości delikatnej ceramiki na ściskanie), opisanej w JIS R 1608. Konkretnie, po pierwsze, sześcienne kształtki o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu z odpowiednich przykładów i przykładów porównawczych, posiadające taki sam kształt komórki, grubość przegrody i gęstość komórek oraz mające bok 35 mm wytłaczano z glin przygotowanych w przykładach 1-4 i w porównawczych przykładach 1 i 2 oraz suszono i prażono takimi samymi sposobami suszenia i prażenia, by przygotować próbki do badań. Następnie, jak pokazano na fig. 3, do badanej próbki 31 przykładano nacisk zwrócony w kierunku formowania komórek 31a za pomocą ściskających płytek 32 i mierzono wytrzymałość na ściskanie, aby ocenić przez to wytrzymałość prażonych kształtek. Należy zauważyć, że wytrzymałość na ściskanie obliczano zakładając, że sześcienna uformowana kształtka o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu była litą bryłą i dzieląc maksymalne obciążenie przez 35x35 mm². Wyniki podano w tablicy 1.

(2) Stan wyprażonej kształtki

Występowanie pęknięć w wyprażonej uformowanej kształtce oraz występowanie zapadania się wyprażonej uformowanej kształtki pod własnym ciężarem obserwowano wzrokowo, aby przez to ocenić stan wyprażonej uformowanej kształtki. Wyniki przedstawiono w tablicy 1.

(3) Porowatość porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu Porowatość porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu mierzono porozymetrem rtęciowym, aby przez to ocenić porowatość porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu. Wyniki przedstawiono w tablicy 1.

T a b l i c a 1

	Ziarniste kruszywo	Cząstki koloidalne	Wytrzymałość wyprażonej kształtki (kG/cm²)	Stan wyprażonej kształtki	Porowatość komórkowej struktury porowatej, typu plastra miodu (%)
Typ	Ilość (części mas.)
Przykład 1	Węglik krzemu/metaliczny krzem (80:20)	Zol krzemionkowy	1,2	0,1	Brak pęka- nia/zapadania się	60
Przykład 2	Węglik krzemu/metaliczny krzem (80:20)	Zol krzemionkowy	0,1	0,01	Brak pęka- nia/zapadania się	60
Przykład 3	Węglik krzemu/metaliczny krzem (80:20)	Zol krzemionkowy	10	8	Brak pęka- nia/zapadania się	58
Przykład 4	Tlenek glinu/krzemionka (98:2)	Zol tlenku glinu	1,5	0,5	Brak pęka- nia/zapadania się	60
Przykład porówn. 1	Węglik krzemu/metaliczny krzem (80:20)	-	-	0,005	Zapadanie się	60
Przykład porówn. 2	Węglik krzemu/metaliczny krzem (80:20)	Zol krzemionkowy	15	20	Brak pęka- nia/zapadania się	40

Wyniki ₂

Wyprażone kształtki z przykładów 1-4 miały wytrzymałość co najmniej 0,01 kG/cm², a wytrzymałość ta była znacznie zwiększona w porównaniu z wyprażoną uformowaną kształtką z porównawczego przykładu 1. Powstawanie pęknięć lub zapadanie się pod ciężarem nie zostało zauważone w żadnej z wyprażonych uformowanych kształtek z przykładów 1-4. Ponadto porowate struktury komórkowe o budowie plastra miodu z przykładów 1-4 utrzymywały porowatość równą porowatości,

PL 208 757 B1 porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu z porównawczego przykładu 1 i nie zauważono żadnego zmniejszenia porowatości.

Z drugiej strony wyprażona uformowana kształtka z porównawczego przykładu 1 miała wytrzymałość tylko 0,005 kG/cm² i była to bardzo mała wytrzymałość. Nie można było uniknąć zapadania się pod ciężarem w wyprażonej uformowanej kształtce według porównawczego przykładu 1.

Ponadto wyprażona uformowana kształtka z porównawczego przykładu 2 miała wytrzymałość 20,0 kG/cm², przy czym była to wytrzymałość wyraźnie zwiększona w porównaniu z wyprażoną uformowaną kształtką z porównawczego przykładu 1, a powstawania pęknięć lub zapadania się pod ciężarem nie zauważono, ale porowatość porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu z porównawczego przykładu 2 była znacznie zmniejszona w porównaniu z porowatą strukturą komórkową o budowie plastra miodu z porównawczego przykładu 1. Nie można było zatem otrzymać porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu o docelowej dużej porowatości (porowatość 60%).

Zastosowanie przemysłowe

Jak opisano powyżej, ponieważ w glinie przeznaczonej do formowania przy przeprowadzaniu sposobu wytwarzania porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu według przedmiotowego wynalazku zawarte są cząstki koloidalne, możliwe jest skuteczne zapobieganie sytuacji, w której porowata struktura komórkowa o budowie plastra miodu pęka lub zapada się pod własnym ciężarem podczas wypalania uformowanej kształtki.

Claims

1. Sposób wytwarzania porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu, w którym miesza się i zagniata przynajmniej ziarniste kruszywo złożone z materiału ceramicznego i/lub metalu, wody, spoiwa organicznego, środka porotwórczego i cząstek koloidalnych, i otrzymuje się materiał nadający się do formowania; formuje się z tego materiału kształtkę o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu, posiadającą wiele komórek tworzących kanały przepływu płynów; suszy się kształtkę o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu ze wspomnianego materiał u; praż y się uformowan ą kształtkę o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu i otrzymuje się wyprażoną kształtkę; a następnie wypala się wyprażoną kształtkę i otrzymuje się porowatą strukturę komórkową o budowie plastra miodu, znamienny tym, że materiał nadający się do formowania zawiera 0,1-10 części mas. cząstek koloidalnych w stosunku do 100 części mas. ziarnistego kruszywa, oraz tym, że ziarniste kruszywo zawiera co najmniej jeden rodzaj składnika wybrany spośród materiału kordierytowego, który oznacza substancję przetwarzaną w kordieryt przez wypalenie tak, że wypalona mieszanka ma skład

2MgO2AI₂O₃5SiO₂, mulitu, tlenku glinowego, tytanianu glinu, krzemianu litowo-glinowego, węglika krzemu, azotku krzemu i metalicznego krzemu, a całkowita masa tego składnika stanowi co najmniej 50% mas. w stosunku do całkowitej masy ziarnistego kruszywa.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że materiał nadający się do formowania zawiera źródło metalu alkalicznego odpowiadające 0,01-10 części mas. metalu alkalicznego w przeliczeniu na metal alkaliczny w stosunku do 100 części mas. ziarnistego kruszywa.

3. Uformowana kształtka o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu zawierająca materiał nadający się do formowania uformowany w kształtkę o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu posiadającą wiele komórek stanowiących kanały przepływu płynów, przy czym materiał nadający się do formowania zawiera co najmniej ziarniste kruszywo złożone z materiału ceramicznego i/lub metalu, wody, spoiwa organicznego, środka porotwórczego i cząstek koloidalnych, znamienna tym, że materiał nadający się do formowania zawiera 0,1-10 części mas. cząstek koloidalnych w stosunku do 100 części mas. ziarnistego kruszywa, oraz tym, że ziarniste kruszywo zawiera co najmniej jeden rodzaj składnika wybranego spośród materiału kordierytowego, który oznacza substancję przetwarzaną w kordieryt przez wypalenie tak, że wypalona mieszanka ma skład 2MgO*2AI₂O₃*5SiO₂, mulitu, tlenku glinowego, tytanianu glinu, krzemianu litowo-glinowego, węglika krzemu, azotku krzemu i metalicznego krzemu, a całkowita masa tego składnika stanowi co najmniej 50 % mas. w stosunku do całkowitej masy ziarnistego kruszywa.

4. Uformowana kształtka według zastrz. 3, znamienna tym, że materiał nadający się do formowania zawiera źródło metalu alkalicznego odpowiadające 0,01-10 części mas. metalu alkalicznego w przeliczeniu na metal alkaliczny w stosunku do 100 części mas. ziarnistego kruszywa.