Шихта для получения пенокерамического материала

 

Использование: для получения пенокерамических материалов, применяющихся в качестве носителей для катализаторов, фильтров для нагретого газа, пористых электродов. Сущность: шихта включает (мас.%) углеродные микросферы 4-20, жидкое карбонизующееся связующее 13-25, мелкодисперсный порошок оксида кремния или оксида титана 55-83. Плотность 0,7-1,31 г/см³, электропроводность Х = 2-27,8 (Ом · м)^-1, пористость до 95%

Изобретение относится к неорганической химии, в частности к пенокерамическим высокопористым композиционным материалам, которые могут быть использованы в качестве носителей для катализаторов, фильтров для нагретого газа и пр.

Известен способ изготовления пористого углеродного материала, состоящего из отформованной и карбонизированной в неокислительной атмосфере смеси полных углеродных микросфер со связующим, например фенольными, фурфуроловыми, эпоксидными смолами, крахмалом, взятым в количестве 4-40% от объема микросфер (прототип).

Данный пенокарбидный материал имеет небольшой удельный вес (плотность 0,05-1,00 г/см³), удовлетворительную механическую прочность (прочность на сжатие 0,5-50 МПа), обладает средними показателями электропроводности (1,6-35 (Ом ˙ м)^-1, однако характеризуется закрытым характером пор, что сдерживает область его применения.

Перед авторами стояла задача получить пенокерамический материал, обладающий требуемым комплексом физико-механических характеристик, расширить номенклатуру пористых электропроводящих композиционных материалов.

Поставленная задача решается путем использования шихты для получения пенокерамического материала, содержащей углеродные микросферы, жидкое карбонизующееся связующее и дополнительно мелкодисперсный порошок оксида кремния или оксида титана в следующем соотношении, мас. Углеродные микросферы 4-20 Жидкое карбонизую- щееся связующее 13-25 Мелкодисперсный порошок оксида кремния или оксида титана 55-83 Количество исходных компонентов определяется необходимостью получения конечного продукта нужного фазового и химического состава. Заданный фазовый и химический состав конечного продукта определяется стехиометрическим соотношением количеств оксида металла и углерода (углеродных микросфер и связующего). Нужная пористость задается введением в шихту углеродных микросфер определенного размера. Только заявленный интервал значений компонентов шихты обеспечивает получение пенокерамического материала с требуемым комплексом физико-механических свойств. Например, увеличение содержания связующего свыше 30 мас. (а значит соответственно уменьшение содержания углеродных микросфер) приводит к потере пористости материала и ухудшению важнейших свойств, присущих пенокерамическим материалам. Недостаток связующего (меньше 15 мас.) определяет сверх нормативное увеличение количества микросфер. В результате не происходит связывания компонентов шихты, что обусловливает в конечном счете катастрофическое снижение прочности материала.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известна шихта для получения пенокерамического материала, содержащая мелкодисперсный порошок оксида кремния или оксида титана, жидкое карбонизующееся связующее, углеродные микросферы в заявленных интервалах значений.

Способ приготовления пенокерамического материала из предлагаемой шихты следующий.

Готовят шихту, состоящую из мелкодисперсного порошка оксида кремния или оксида титана 55-83 мас. жидкого карбонизующегося связующего 13-25 мас. и углеродных микросфер 4-20 мас. Из полученной шихты прессуют (формуют) изделия при давлении Р 1,0 МПа, отверждают их при температуре 150-160^оС, карбонизуют со скоростью 100 град/час до температуры 800^оС с последующей выдержкой при этой температуре до полной карбонизации (1-2 ч в зависимости от толщины (объема) изделия). При этом происходит разложение карбонизующегося связующего с выполнение карбонизованного углерода.

Затем изделия спекают при температуре 1300-1500^оС с последующей выдержкой при этой температуре в течение 2-5 ч в среде азота или в форвакууме и медленно охлаждают.

Полученный продукт исследуют рентгенографическим, химическим и электронно-микроскопическим методами анализа, измеряют его плотность, электропроводность и другие физико-механические свойства. На основании результатов химанализа рассчитывают брутто-состав. Получают материал, состоящий из кислородсодержащего соединения с кристаллической решеткой, аналогичной для оксидов, углеродных микросфер и карбонизованного углерода.

П р и м е р 1. Готовят шихты, состоящую из мелкодисперсного оксида кремния (SiO₂) в количестве 55 мас. фенолформальдегидной смолы 25 мас. и углеродных микросфер 20 мас.

Из полученной композиции прессуют изделие при давлении Р 1 МПа, отверждают его при температуре 150-160^оС, карбонизуют со скоростью 100 град/ч до температуры 800^оС и выдерживают при этой температуре в течение 2 ч (изделие толщиной 100 мм).

При этом происходит разложение фенолформальдегидной смолы с выделением карбонизованного углерода. Затем изделия спекают при температуре 1500^оС для придания им прочности, выдерживают при этой температуре в среде азота в течение 2 ч и медленно охлаждают. Конечный продукт состоит из кислородсодержащего соединения, отвечающего брутто-составу SiN_0,4O_1,58 с кристаллической решеткой аналогичной для SiO₂ в количестве 55 мас. углеродных микросфер в количестве 20 мас. и карбонизованного углерода остальное. Материал имеет плотность 0,7 г/см³, электропроводность κ= 2,0 (О ˙ м)^-1, пористость до 95% П р и м е р 2. То же, что в примере 1, но шихту готовят из 78 мас. оксида кремния, 5,5 мас. углеродных микросфер и 16,5 мас. фурановой смолы, изделие спекают в азоте при 1400^оС в течение 3 ч. Получают продукт, состоящий из кислородсодержащего соединения брутто-состава SiN_0,6O_2,28 с кристалической решеткой аналогичной SiO₂ в количестве 78 мас. углеродных микросфер в количестве 5,5 мас. карбонизованного углерода остальное. Образец имеет плотность 1,22 г/см³, электропроводность κ 27,8 (Ом ˙ ^м)-1, пористость до 95% П р и м е р 3. То же, что в примере 1, но шихту готовят из 83 мас. оксида титана, 4 мас. углеродных микросфер и 13 мас. фенолформальдегидной смолы, изделие спекают в вакууме при 1300^оС в течение 5 ч. Получают продукт, отвечающий брутто-составу TiO_1,16 и состоящий из Ti₃O₅ и Ti₂O₃ в количестве 83 мас. углеродных микросфер в количестве 4 мас. и карбонизованного углерода остальное. Образец имеет плотность 1,31 г/см³, электропроводность κ= 4,2 (Ом ˙ м)^-1, пористость до 95% Таким образом, предлагаемая шихты для получения пенокерамического материала позволяет получить пенокерамический материал, обладающий требуемым комплексом свойств высокой пористостью, электропроводностью, низкой плотностью. Высокая пористость и открытая ячеистая структура обеспечивает высокую проницаемость материала для газов и жидкостей, что обусловливает его эффективное применение в качестве фильтров в агрессивных средах, а также теплоизоляционных материалов в области высоких температур. Равномерное строение, хорошие термостойкость и электропроводность в сочетании с низкой плотностью позволяют использовать пенокерамический материал, получаемый в предлагаемой шихте, в качестве композиционного.

Формула изобретения

ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОКЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА, включающая углеродные микросферы и жидкое карбонизующееся связующее, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит мелкодисперсный порошок оксида кремния или оксида титана при следующем соотношении компонентов, мас.

Углеродные микросферы 4 20 Жидкое карбонизующееся связующее 13 25
Мелкодисперсный порошок оксида кремния или оксида титана 55 83