Шихта для получения пенокерамического материала (варианты)

 

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, пористых электродов, шумопоглощающих устройств. Шихта для получения пенокерамического материала содержит 3 - 35 мас.% углеродных, фенолформальдегидных или крезо-микросфер, 12 - 35 мас.% жидкого карбонизующегося связующего и 30 - 85 мас.% мелкодисперсного порошка, содержащего оксид титана, в качестве которого используют лейкоксеновый концентрат - продукт переработки нефтеносной титаносодержащей руды, либо 25 - 74 мас.% мелкодисперсного порошка лейкоксенового концентрата и 5 - 11 мас.% мелкодисперсного порошка металлического титана или металлического кремния. Предлагаемая шихта для получения пенокерамического материала позволяет значительно увеличить одни из основных его характеристик - электропроводность и прочность. Кроме того, позволяет расширить сырьевую базу исходных компонентов для получения пенокерамических материалов и, наряду с этим, утилизировать отходы переработки минерального сырья, отходы ТЭС. 2 с. п. ф-лы, 1 табл.

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.

Известен пористый углеродный материал, состоящий из отформованной и карбонизованной в неокислительной атмосфере смеси полых углеродных микросфер со связующим, например, фенольными, фурфуловыми, эпоксидными смолами, крахмалом, взятым в количестве 4 - 40% от объема микросфер (патент Франции N 2110123, Мкл. C 04 B 21/00, 1972 г.).

Известный пенокарбидный материал имеет небольшой удельный вес (плотность 0,05 - 1,00 г/см³), электропроводность 1,6-35 (Ом·м)^-1. Однако, он имеет поры закрытого типа, и это обстоятельство значительно сужает области его применения.

Известна шихта для получения пенокерамического материала, включающая углеродные микросферы, жидкое карбонизующееся связующее и мелкодисперсный порошок оксида титана или оксида кремния при следующем соотношении компонентов в мас. %: Углеродные микросферы - 4 - 20 Жидкое карбонизующееся связующее - 13 - 25 Мелкодисперсный порошок оксида титана или оксида кремния - 55 - 83 (патент РФ N 2057740, Мкл. C 04 B 35/532, C 04 B 35/14, C 04 B 35/46, 1996 г.).

Материал, полученный из известной шихты, имеет небольшой удельный вес [плотность (0,7 - 1,3) г/см³)], но невысокую электропроводность, равную 2,0 - 4,2 (Ом·м)^-1.

Таким образом, перед авторами стояла задача получить пенокерамический материал, обладающий повышенными значениями электропроводности.

Поставленная задача решена путем использования шихты для получения пенокерамического материала, содержащей микросферы, жидкое карбонизующееся связующее и мелкодисперсный порошок, включающий оксид титана, которая в качестве мелкодисперсного порошка, включающего оксид титана, содержит лейкоксеновый концентрат - продукт переработки нефтеносной титансодержащей руды, при следующем соотношении компонентов, мас. %: Микросферы (углеродные, фенолформальдегидные, крезо-) - 3-35 Жидкое карбонизующееся связующее - 12 - 35 Мелкодисперсный порошок лейкоксенового концентрата - 30 - 85 Поставленная задача решена также путем использования шихты для получения пенокерамического материала, содержащей микросферы, жидкое карбонизующееся связующее и мелкодисперсный порошок, включающий оксид титана, которая в качестве мелкодисперсного порошка, включающего оксид титана, содержит лейкоксеновый концентрат - продукт переработки титаноносной нефтесодержащей руды, и дополнительно мелкодисперсный порошок металлического титана или металлического кремния при следующем соотношении компонентов, мас. %: Микросферы углеродные, фенолформальдегидные, крезо- - 3-35
Жидкое карбонизующееся связующее - 12-35
Мелкодисперсный порошок металлического титана или металлического кремния - 5-11
Мелкодисперсный порошок лейкоксенового концентрата - 25-74
В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известна шихта для получения пенокерамического материала, в состав которой входит лейкоксеновый концентрат и компоненты содержатся в заявляемых пределах.

Лейкоксеновый концентрат (ЛКК) является отходом после переработки нефтетитановых месторождений. При этом основная масса титана сосредоточена в лейкоксене - продукте, образованном в процессе изменения титановых минералов (см. табл.1).

Запасы лейкоксена исчисляются сотнями тысяч тонн. Его использование в качестве компонента шихты для получения керамических материалов позволяет расширить сырьевую базу за счет привлечения дешевого и легкодоступного сырья.

Количественный состав исходных компонентов шихты определяет фазовый и химический состав конечного продукта и, следовательно, его рабочие характеристики. Так, увеличение содержания микросфер более 35 мас. % ведет к ухудшению связывания компонентов шихты, что обусловливает снижение прочности материала (образцы рассыпаются). Уменьшение содержания микросфер менее 3 мас. % ведет к потере пористости материала, увеличению его плотности и, как следствие, ухудшению рабочих характеристик материала.

Далее, увеличение содержания связующего более 35 мас. % приводит также к потере пористости материала, а уменьшение менее 12 мас. % влечет за собой увеличение микросфер, что сказывается на прочности пенокерамического материала.

Увеличение содержания лейкоксенового концентрата более 85 мас. % ухудшает связывание компонентов, что отрицательно сказывается на прочности материала (образцы рассыпаются), а уменьшение содержания лейкоксенового концентрата менее 30 мас. % ведет к значительному ухудшению рабочих характеристик (электропроводность снижается до 5-8 (Ом·м)^-1.

В случае дополнительного содержания в шихте металлического титана или кремния их количественное содержание также обусловлено получением пенокерамического материала, обладающего высокими рабочими характеристиками. Так, при содержании титана или кремния менее 5 мас. % ухудшаются эксплуатационные характеристики материала. При содержании титана или кремния более 11 мас. % наблюдается резкое уменьшение прочности за счет уменьшения количества микросфер.

Способ получения пенокерамического материала из шихты предлагаемого состава следующий.

Берут исходные компоненты в заявляемом соотношении и перемешивают. Из полученной шихты прессуют изделия при давлении 1,0 МПа, отверждают их при температуре 150 - 160^oC, карбонизуют со скоростью 100 град/ч до температуры 800 - 820^oC, выдерживают при этой температуре в течение 1 - 2 часов (в зависимости от толщины изделия). И затем изделия спекают путем свободного нагрева при температуре 1100 - 1500^oC в течение 1 - 2 часов в форвакууме с последующим охлаждением.

Полученный продукт исследуют рентгенографическим, химическим и электронномикроскопическим методами анализа. Измеряют его плотность, электропроводность, предел прочности при сжатии,
Получают пенолейкоксен, состоящий из смеси оксидов и оксикарбидов титана и кремния со следующими рабочими характеристиками:
Плотность - (0,6 - 1,6)·г/см³
Электропроводность - 40-214 (Ом·м)^-1
Предел прочности при сжатии - 5-26 МПа
Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Берут мелкодисперсный порошок лейкоксенового концентрата состава, указанного в табл. 1, 30,0 г (30 мас. %), фенолформальдегидные микросферы 35,0 г (35 мас. %), фенолформальдегидную смолу 35,0 г (35 мас. %). Исходные компоненты перемешивают. Из полученной смеси прессуют изделия (2,0 см х 2,0 см х 2,0 см) при давлении 1 МПа, отверждают при температуре 150^oC, карбонизуют со скоростью 100 град/ч до температуры 800^oC и выдерживают при этой температуре в течение 1 часа. Затем спекают при температуре 1100^oC с выдержкой при этой температуре в течение часа в форвакууме и охлаждают.

Получают пенолейкоксен со следующими характеристиками:
Плотность - 1,6·г/см³
Электропроводность - 40 (Ом·м)^-1
Предел прочности при сжатии - 16,5 МПа
Пример 2. Берут мелкодисперсный порошок лейкоксенового концентрата состава, указанного в табл. 1, 42,5 г (85 мас. %), крезо-микросферы 1.5 г (3 мас. %), фурановую смолу 6,0 г (12 мас. %). Исходные компоненты перемешивают. Из полученной смеси прессуют изделия (2,0 см х 2,0 см х 2,0 см) при давлении 1 МПа, отверждают при температуре 160^oC, карбонизуют со скоростью 100 град/ч до температуры 820^oC и выдерживают при этой температуре в течение 2 часов. Затем спекают при температуре 1500^oC с выдержкой при этой температуре в течение 2 часов в форвакууме и охлаждают.

Получают пенолейкоксен со следующими характеристиками:
Плотность - 1,6·г/см³
Электропроводность - 214(Ом·м)^-1
Предел прочности при сжатии - 26 МПа
Пример 3. Берут мелкодисперсный порошок лейкоксенового концентрата состава, указанного в табл. 1, 74,0 г (74 мас. %), мелкодисперсный порошок металлического титана 11,0 (11 мас. %), углеродные микросферы 3,0 г (3 мас. %), фенолформальдегидную смолу 12,0 г (12 мас. %). Исходные компоненты перемешивают. Из полученной смеси прессуют изделия (2,0 см х 2,0 см х 2,0 см) при давлении 1 МПа, отверждают при температуре 150^oC, карбонизуют со скоростью 100 град/ч до температуры 800^oC и выдерживают при этой температуре в течение 2 часов. Затем спекают при температуре 1200^oC с выдержкой при этой температуре в течение 1 часа в форвакууме и охлаждают.

Получают пенолейкоксен со следующими характеристиками:
Плотность - 1,6·г/см³
Электропроводность - 547 (Ом·м)^-1
Предел прочности при сжатии - 15,8 МПа
Пример 4. Берут мелкодисперсный порошок лейкоксенового концентрата состава, указанного в табл. 1, 25,0 г (25 мас. %), мелкодисперсный порошок металлического титана 5,0 г (5 мас. %), фенолформальдегидные микросферы 35,0 г (35 мас. %), фенолформальдегидную смолу 35,0 г (35 мас. %). Исходные компоненты перемешивают. Из полученной смеси прессуют изделия (2,0 см х 2,0 см х 2,0 см) при давлении 1 МПа, отверждают при температуре 150^oC, карбонизуют со скоростью 100 град/ч до температуры 800^oC и выдерживают при этой температуре в течение 2 часов. Затем спекают при температуре 1100^oC с выдержкой при этой температуре в течение 1 часа в форвакууме и охлаждают.

Получают пенолейкоксен со следующими характеристиками:
Плотность - 1,4·г/см³
Электропроводность - 493 (Ом·м)^-1
Предел прочности при сжатии - 8,7 МПа
Пример 5. Берут мелкодисперсный порошок лейкоксенового концентрата состава, указанного в табл. 1, 74,0 г (74 мас. %), мелкодисперсный порошок металлического кремния 11,0 г (11 мас. %), углеродные микросферы 3,0 г (3 мас. %), фенолформальдегидную смолу 12,0 г (12 мас. %). Исходные компоненты перемешивают. Из полученной смеси прессуют изделия (2,0 см х 2,0 см х 2,0 см) при давлении 1 МПа, отверждают при температуре 150^oC, карбонизуют со скоростью 100 град/ч до температуры 800^oC и выдерживают при этой температуре в течение 2 часов. Затем спекают при температуре 1100^oC с выдержкой при этой температуре в течение 1 часа в форвакууме и охлаждают.

Получают пенолейкоксен со следующими характеристиками:
Плотность - 1,5·г/см^-1
Электропроводность - 128 (Ом·м)^-1
Предел прочности при сжатии - 8,3 МПа
Пример 6. Берут мелкодисперсный порошок лейкоксенового концентрата состава, указанного в табл. 1, 25,0 г (25 мас. %), мелкодисперсный порошок металлического кремния 5,0 г (5 мас. %), фенолформальдегидные микросферы 35,0 г (35 мас. %), фенолформальдегидную смолу 35,0 г (35 мас. %). Исходные компоненты перемешивают. Из полученной смеси прессуют изделия (2,0 см х 2,0 см х 2,0 см) при давлении 1 МПа, отверждают при температуре 150^oC, карбонизуют со скоростью 100 град/ч до температуры 800^oC и выдерживают при этой температуре в течение 2 часов. Затем спекают при температуре 1100^oC с выдержкой при этой температуре в течение 1 часа в форвакууме и охлаждают.

Получают пенолейкоксен со следующими характеристиками:
Плотность - 1,2·г/см³
Электропроводность - 216 (Ом·м)^-1
Предел прочности при сжатии - 10,7 МПа
Таким образом, предлагаемая шихта для получения пенокерамического материала позволяет значительно увеличить одни из основных его рабочих характеристик - электропроводность и прочность. Кроме того, позволяет расширить сырьевую базу исходных компонентов для получения пенокерамических материалов и, наряду с этим, утилизировать отходы переработки минерального сырья, отходов ТЭС.

Формула изобретения

1. Шихта для получения пенокерамического материала, содержащая микросферы, жидкое карбонизующееся связующее и мелкодисперсный порошок, включающий оксид титана, отличающаяся тем, что в качестве мелкодисперсного порошка, включающего оксид титана, она содержит лейкоксеновый концентрат - продукт переработки нефтеносной титансодержащей руды, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Микросферы углеродные, фенолформальдегидные, крезо- - 3 - 35
Жидкое карбонизующееся связующее - 12 - 35
Мелкодисперсный порошок лейкоксенового концентрата - 30 - 85
2. Шихта для получения пенокерамического материала, содержащая микросферы, жидкое карбонизующееся связующее и мелкодисперсный порошок, включающий оксид титана, отличающаяся тем, что она содержит в качестве мелкодисперсного порошка, включающего оксид титана, лейкоксеновый концентрат - продукт переработки нефтеносной титансодержащей руды, и дополнительно-мелкодисперсный порошок металлического титана или металлического кремния при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Микросферы углеродные, фенолформальдегидные, крезо- - 3 - 35
Жидкое карбонизирующееся связующее - 12 - 35
Мелкодисперсный порошок металлического титана или металлического кремния - 5 - 11
Мелкодисперсный порошок лейкоксенового концентрата - 25 - 74

РИСУНКИ

Рисунок 1