PL207931B1

PL207931B1 - Sposób wytwarzania porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu oraz kształtka o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu

Info

Publication number: PL207931B1
Application number: PL375708A
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: 2011-02-28
Also published as: JP4571775B2; KR100649470B1; US20060057330A1; AU2003273065A1; EP1555253A1; KR20050075364A; EP1555253B1; JP2004142979A; WO2004037744A1; PL375708A1; EP1555253A4; DE60330588D1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotowy wynalazek dotyczy sposobu wytwarzania porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu, przeznaczonej korzystnie do stosowania np. jako filtr zbierający sadzę oraz uformowanej kształtki o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu, a zwłaszcza sposobu wytwarzania porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu, nadającego się do skutecznego zapobiegania sytuacji, w której w porowatej strukturze komórkowej o budowie plastra miodu powstają pęknięcia, albo sytuacji, w której porowata struktura komórkowa o budowie plastra miodu zapada się pod swym własnym ciężarem przy wytwarzaniu porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu o dużej porowatości oraz uformowanej kształtki o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu.

Porowatą strukturę komórkową o budowie plastra miodu, wykonaną z materiału ceramicznego i charakteryzującą się większą odpornością na wysoką temperaturę i na korozję używa się jako filtr zbierający sadzę do celów ochrony środowiska, takich jak zapobieganie zanieczyszczeniu oraz do odzyskiwania produktów z nagrzanych gazów w różnych dziedzinach, obejmujących przemysł chemiczny, energetykę, hutnictwo żelaza i stali oraz usuwanie odpadów przemysłowych. Przykładowo porowatą strukturę komórkową o budowie plastra miodu, wykonaną z materiału ceramicznego, stosuje się korzystnie jako filtr zbierający sadzę, pracujący w atmosferze korozyjnych gazów o wysokiej temperaturze, np. jako filtr cząstek stałych ze spalin z silnika wysokoprężnego.

Przykłady filtru zbierającego sadzę za pomocą porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu obejmują strukturę, w której, jak pokazano na fig. 1, końcowe powierzchnie B strony wlotowej i końcowe powierzchnie C strony wylotowej wielu komórek 23 porowatej struktury komórkowej 21 o budowie plastra miodu są na przemian zatkane zatykającymi częściami 22. W takiej porowatej strukturze komórkowej o budowie plastra miodu, kiedy gaz G₁ który ma być oczyszczany, jest wprowadzany w komórki 23 od strony wlotowej końcowej powierzchni B, cząstki stałe są zatrzymywane w międzykomórkowych przegrodach 24. Z drugiej strony oczyszczony gaz G₂, który przepłynął w sąsiednią komórkę 23 poprzez porowatą międzykomórkową przegrodę 24, jest wyprowadzany z wylotowej końcowej powierzchni C, dzięki czemu można otrzymać oczyszczony gaz G₂, z którego zostały usunięte cząstki stałe zawarte w gazie G1. przeznaczonym do oczyszczania.

W ostatnich latach, ze względu na konieczność polepszenia zdolności oczyszczających filtra zbierającego sadzę zaistniało zapotrzebowanie na porowatą strukturę komórkową o budowie plastra miodu, charakteryzującą się małym spadkiem ciśnienia i dużą porowatością wśród opisanych powyżej porowatych struktur komórkowych o budowie plastra miodu. Opisany został sposób wytwarzania porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu o dużej porowatości, według którego oprócz surowca tworzącego kordieryt i wody zagniata się spoiwo (spoiwo organiczne, takie jak metyloceluloza), środek porotwórczy (materiał organiczny, taki jak grafit) itp., a z surowca (materiału nadającego się do formowania), który jest plastyczny, formuje się pewien kształt, suszy się i wypala (patrz JP-2002-219319A). Zgodnie z tym sposobem wytwarzania przy wypalaniu uformowanej kształtki spoiwo i środek porotwórczy były spalane w celu wytworzenia porów, dzięki czemu można otrzymać porowatą strukturę komórkową o budowie plastra miodu o dużej porowatości.

Jednakże, jeśli w materiale nadającym się do formowania przeznaczonym do wytwarzania porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu o większej porowatości według opisanego powyżej sposobu wytwarzania zawarte są duże ilości spoiwa i środka porotwórczego, wówczas przy wypalaniu uformowanej kształtki występuje problem polegający na tym, że w porowatej strukturze komórkowej o budowie plastra miodu powstają pęknięcia, albo występuje sytuacja, w której porowata struktura komórkowa o budowie plastra miodu w skrajnym przypadku zapada się pod swym własnym ciężarem.

Przedmiotowy wynalazek opracowano w celu rozwiązania opisanego powyżej problemu stanu techniki i opracowania sposobu wytwarzania porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu, zdolnej do skutecznego uniemożliwiania wystąpienia sytuacji, w której w porowatej strukturze komórkowej o budowie plastra miodu powstają pęknięcia, albo sytuacji, w której porowata struktura komórkowa o budowie plastra miodu zapada się pod swym własnym ciężarem, jak również opracowanie kształtki o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu.

W wyniku rozległych badań mających na celu rozwiązanie opisanego powyżej problemu wynalazca stwierdził, że opisany powyżej problem można rozwiązać przez wprowadzenie do materiału nadającego się do formowania przeznaczonego do formowania źródła metalu alkalicznego i opracoPL 207 931 B1 wał przedmiotowy wynalazek. Według przedmiotowego wynalazku został opracowany następujący sposób wytwarzania porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu i kształtki o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu.

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu, w którym miesza i zagniata się co najmniej surowiec kruszywa, wody, spoiwa organicznego, środka porotwórczego i źródła metalu alkalicznego, w którym uzyskuje się materiał nadający się do formowania, przy czym surowiec kruszywa zawiera metaliczny krzem i/lub nietlenkowy materiał ceramiczny zawierający krzem;

formuje się z materiału nadającego się do formowania kształtkę o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu, posiadającej wiele komórek, które stanowią kanały dla płynu, a następnie suszenie, uzyskując uformowaną kształtkę o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu;

praży się uformowaną kształtkę o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu uzyskując prażoną kształtkę; oraz wypala się prażoną kształtkę otrzymując porowatą strukturę komórkową o budowie plastra miodu, przy czym materiał nadający się do formowania zawiera 0,01-10 części mas. źródła metalu alkalicznego w przeliczeniu na metal alkaliczny w odniesieniu do 100 części mas. surowca kruszywa, charakteryzujący się tym, że źródłem metalu alkalicznego jest wodorotlenek potasu lub wodorotlenek sodu.

Korzystnie gdy surowiec kruszywa zawiera co najmniej jeden składnik wybrany z grupy złożonej z węglika krzemu, azotku krzemu i metalicznego krzemu; a całkowita masa tych składników wynosi co najmniej 50% mas. całkowitej masy surowca kruszywa.

Kolejnym przedmiotem wynalazku jest kształtka o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu zawierająca materiał nadający się do formowania, zawierającą przynajmniej surowiec kruszywa, wodę, spoiwo organiczne, środek porotwórczy i źródło metalu alkalicznego, przy czym surowiec kruszywa zawiera metaliczny krzem i/lub nietlenkowy materiał ceramiczny zawierający krzem, a uformowana kształtka o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu ma wiele komórek stanowiących kanały dla płynu, przy czym materiał nadający się do formowania zawiera 0,01-10 części mas. źródła metalu alkalicznego w przeliczeniu na metal alkaliczny w odniesieniu do 100 części mas. surowca kruszywa, charakteryzujący się tym, że źródłem metalu alkalicznego jest wodorotlenek potasu lub wodorotlenek sodu. Korzystnie, gdy surowiec kruszywa zawiera przynajmniej jeden składnik wybrany z grupy zł o ż onej z wę glika krzemu, azotku krzemu i metalicznego krzemu, a cał kowita masa tych składników wynosi co najmniej 50% mas. całkowitej masy surowca kruszywa.

W celu lepszego zilustrowania wynalazku, rozwią zanie przedstawiono na rysunku gdzie:

figura 1 przedstawia schematycznie przykład filtra zatrzymującego sadzę, wykorzystującego strukturę komórkową o budowie plastra miodu;

figura 2 przedstawia schematycznie przykład porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu; oraz figura 3 przedstawia schematycznie sposób oceniania wytrzymałości prażonej kształtki.

Poniżej szczegółowo opisano przykład przeprowadzania sposobu wytwarzania porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu według przedmiotowego wynalazku. Wynalazca zbadał przyczyny powstawania pęknięć w porowatej strukturze komórkowej o budowie plastra miodu lub zapadania się takiej porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu pod swym własnym ciężarem, jeżeli kształtka jest najpierw wypalana, kiedy rozwija się sposób wytwarzania porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu według przedmiotowego wynalazku. Za pierwszą przyczynę uznano to, że duże ilości spoiwa i środka porotwórczego spalają się i wytwarzają ciepło przy wypalaniu kształtki, na skutek czego temperatura kształtki podczas wypalania gwałtownie wzrasta i powstaje duże naprężenie cieplne. Za drugą przyczynę uznano to, że spoiwo zawarte w materiale nadającym się do formowania przechodzi w żel w kształtce przed wypalaniem i spełnia zadanie czynnika wzmacniającego, by utrzymywać wytrzymałość mechaniczną kształtki, ale występuje zjawisko, w którym spoiwo działające jako czynnik wzmacniający spala się, i wytrzymałość mechaniczna kształtki gwałtownie maleje podczas wypalania kształtki. Ponadto za trzecią przyczynę uznano to, że zjawisko takie stało się bardziej zauważalne w strukturze silnie porowatej po spaleniu czynnika porotwórczego.

W celu rozwiązania tego problemu według przedmiotowego wynalazku materiał, który działa jako czynnik wzmacniający, jest oddzielnie dodawany do materiału nadającego się do formowania przeznaczonego do formowania nawet po spaleniu spoiwa. W szczególności w materiale nadającym się do formowania przeznaczonym do formowania zawarte jest źródło metalu alkalicznego.

PL 207 931 B1

Kiedy takie źródło metalu alkalicznego rozpuszcza się w wodzie zawartej w materiale nadającym się do formowania, źródło takie tworzy wodorotlenek i reaguje z krzemionką nieuchronnie występującą na powierzchni nietlenkowej ceramiki zawierającej krzem, by utworzyć szkło z krzemianów alkalicznych (szkło wodne) (patrz podane poniżej równanie reakcji (1)). Takie szkło z krzemianów alkalicznych działa jako czynnik wzmacniający nawet po spaleniu spoiwa i można powstrzymać spadek wytrzymałości mechanicznej kształtki (to znaczy porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu). Dlatego nawet wtedy, gdy duże ilości spoiwa i środka porotwórczego są spalane w celu wytworzenia ciepła, temperatura kształtki wypalanej gwałtownie zwiększa się i powstaje duże naprężenie cieplne, możliwe jest skuteczne uniemożliwianie powstania sytuacji, w której w porowatej strukturze komórkowej o budowie plastra miodu powstają pęknięcia. Nawet w strukturze o dużej porowatości po spaleniu czynnika porotwórczego możliwe jest skuteczne uniknięcie sytuacji w której porowata struktura komórkowa o budowie plastra miodu zapada się pod swym własnym ciężarem.

2KOH+SiO₂ K₂O ^SiO₂+H₂O (1) (i) Pierwszy etap (przygotowanie materiału nadającego się do formowania)

Zgodnie ze sposobem wytwarzania według przedmiotowego wynalazku najpierw miesza się co najmniej surowiec kruszywa, wodę, spoiwo organiczne, środek porotwórczy i źródło metalu alkalicznego i zagniata się w celu otrzymania materiału nadającego się do formowania, w której surowiec kruszywa zawiera metaliczny krzem i/lub nietlenkowy materiał ceramiczny zawierający krzem.

Kruszywo złożone jest z cząstek, będących głównym składnikiem porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu (spieczonej kształtki), a surowiec kruszywa jest surowym materiałem, z którego złożone jest kruszywo. Surowiec kruszywa według przedmiotowego wynalazku musi zawierać nietlenkowy materiał ceramiczny zawierający krzem i/lub metaliczny krzem jako istotny składnik. Według przedmiotowego wynalazku kruszywo musi zawierać źródło krzemionki, które może reagować z metalem alkalicznym, by utworzy ć szkł o z krzemianów alkalicznych. Wedł ug przedmiotowego wynalazku opisane powyżej źródło krzemionki korzystnie istnieje w postaci powierzchniowej warstewki tlenkowej kruszywa, a materiałem o takiej strukturze jest nietlenkowy materiał ceramiczny zawierający krzem lub metaliczny krzem. Należy zauważyć, że metaliczny krzem nie jest materiałem ceramicznym, ale jest przykładowo materiałem składowym spieczonej kształtki Si-SiC, zawierającej węglik krzemu i metaliczny krzem jako surowiec kruszywa.

Zgodnie ze sposobem wytwarzania według przedmiotowego wynalazku, surowiec kruszywa musi zawierać nietlenkowy materiał ceramiczny zawierający krzem i/lub metaliczny krzem jako istotne składniki. Materiał ten szczególnie korzystnie zawiera co najmniej jeden składnik wybrany z grupy złożonej z węglika krzemu, azotku krzemu i metalicznego krzemu, a całkowita masa tych składników korzystnie wynosi co najmniej 50% mas. całkowitej masy surowca kruszywa. Inaczej mówiąc, surowiec kruszywa według przedmiotowego wynalazku może zawierać składniki inne niż nietlenkowy materiał ceramiczny zawierający krzem oraz metaliczny krzem, a zawartość jest korzystnie mniejsza niż 50% mas. w odniesieniu do całej masy surowca kruszywa.

Organicznym spoiwem jest dodatek, który żeluje się w uformowanej kształtce (materiale nadającym się do formowania) przed wypalaniem, i który spełnia rolę środka wzmacniającego dla zachowania mechanicznej wytrzymałości uformowanej kształtki. Dlatego jako spoiwo korzystnie nadają się do stosowania organiczne polimery zdolne do żelowania w kształtce (materiale nadającym się do formowania), takie jak hydroksypropoksymetyloceluloza, hydroksypropylometyloceluloza, metyloceluloza, hydroksyetyloceluloza, karboksylometyloceluloza, alkohol poliwinylowy itp.

Środek porotwórczy jest dodatkiem, który spala się, by wytworzyć pory, podczas wypalania kształtki, dzięki czemu zwiększa się porowatość i otrzymuje się porowatą strukturę komórkową o budowie plastra miodu o dużej porowatości. Dlatego przykłady środka porotwórczego obejmują materiały organiczne, które spalają się podczas wypalania kształtki, takie jak grafit, mąka, skrobia, żywica fenolowa, polimetakrylan metylu, polietylen i politereftalan etylenu. Szczególnie korzystnie nadają się do użycia mikrokapsułki (mikrokapsułki na bazie żywicy akrylowej itd.) utworzone ze spienionej żywicy. Taka mikrokapsułka utworzona ze spienionej żywicy jest wewnątrz wydrążona. Dlatego przy dodaniu niewielkiej ilości mikrokapsułek można uzyskać silnie porowatą strukturę komórkową o budowie plastra miodu. Dodatkowo zaletą jest to, że podczas wypalania wytwarza się niewielka ilość ciepła i można zmniejszyć powstawanie naprężenia cieplnego.

PL 207 931 B1

Źródło metalu alkalicznego jest dodatkiem działającym jako środek wzmacniający, który wiąże cząstki kruszywa ze sobą nawet po spaleniu spoiwa. Kiedy dodatek ten jest rozpuszczony w wodzie zawartej w materiale nadającym się do formowania, powstaje wodorotlenek. Dodatek ten reaguje z bezpostaciową krzemionką nieuchronnie istnieją c ą na powierzchni nietlenkowego materia ł u ceramicznego zawierającego krzem itp., aby utworzyć szkło z krzemianów alkalicznych i spełnić wymienione zadanie.

Źródło metalu alkalicznego nie jest szczególnie ograniczone, jeśli materiał ten nadaje się do reagowania z wodą z uwalnianiem jonów metali alkalicznych, a przykłady takiego źródła obejmują nieorganiczną sól metalu alkalicznego, taką jak tlenek i wodorotlenek oraz sól organiczną metalu alkalicznego, taką jak sól kwasu tłuszczowego. Rodzaj metalu alkalicznego nie jest szczególnie ograniczony, przy czym korzystny jest potas lub sód.

Jako zawartość źródła metalu alkalicznego materiał do formowania korzystnie zawiera 0,01-10 części mas. źródła metalu alkalicznego w przeliczeniu na metal alkaliczny w odniesieniu do 100 części mas. surowca kruszywa, korzystniej zawiera 0,02-5 części mas. źródła metalu alkalicznego, a szczególnie korzystnie zawiera 0,03-1 część mas. źródła metalu alkalicznego.

Kiedy zawartość źródła metalu alkalicznego jest w podanym powyżej zakresie, prażona kształtka ma wytrzymałość co najmniej 0,01 kG/cm² w etapie prażenia i wypalania, i można skutecznie uniknąć sytuacji, w której w prażonej kształtce (a więc również w porowatej strukturze komórkowej podobnej do plastra pszczelego) powstają pęknięcia, albo sytuacji, w której prażona kształtka (a więc również porowata struktura komórkowa o budowie plastra miodu) zapada się pod swym własnym ciężarem (należy zauważyć, że sposób mierzenia opisanej powyżej wytrzymałości zostanie opisany szczegółowo w przykładach). Z drugiej strony, kiedy zawartość metalu alkalicznego jest poniżej wymienionego powyżej zakresu, utrzymywanie wytrzymałości mechanicznej prażonej kształtki po spaleniu spoiwa jest niewystarczające. Kiedy zawartość ta jest powyżej podanego zakresu, zadanie utrzymywania wytrzymałości mechanicznej prażonej kształtki jest spełnione. Jednakże szkło z krzemianów alkalicznych utworzone przez metal alkaliczny wypełnia pory prażonej kształtki (a zatem również porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu) i porowatość niekorzystnie maleje.

Materiał nadający się do formowania według przedmiotowego wynalazku musi zawierać co najmniej surowiec kruszywa, wodę, spoiwo organiczne, środek porotwórczy i źródło metalu alkalicznego, ale w zależności od potrzeb może zawierać surowiec kruszywa inny niż nietlenkowy materiał ceramiczny zawierający krzem i metaliczny krzem, albo inny dodatek, który nie jest definiowany jako istotny składnik. Przykładowo materiał nadający się do formowania może zawierać dyspergent ułatwiający tworzenie zawiesiny surowców w wodzie, która jest podstawą zawiesiny, środek polepszający właściwości formowania itp. Przykłady dyspergentu obejmują glikol etylenowy, dekstrynę, mydło kwasu tłuszczowego, polialkohol itp. Należy zauważyć, że kiedy dodatek zawiera metal alkaliczny, wówczas dodatek ten może być źródłem metalu alkalicznego, a zatem nie trzeba oddzielnie dodawać źródła metalu alkalicznego. Przykłady dodatków obejmują laurynian potasu stosowany jako środek ułatwiający formowanie.

Surowiec kruszywa, wodę, spoiwo organiczne, środek porotwórczy, źródło metalu alkalicznego itp. miesza się i zagniata np. za pomocą podciśnieniowej mieszarki do materiału nadającego się do formowania itp., aby przygotować materiał nadający się do formowania o odpowiedniej lepkości.

(ii) Drugi etap (formowanie i suszenie)

Następnie z materiału nadającego się do formowania przygotowanego jak opisano powyżej formuje się kształtkę o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu posiadającą wiele komórek, które stanowią kanały dla płynu i kształtkę tę suszy się, aby otrzymać przez to uformowaną kształtkę o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu.

Struktura komórkowa o budowie plastra miodu, wspomniana w niniejszym opisie, oznacza kształt, np. kształt porowatej komórkowej struktury i o budowie plastra miodu, pokazanej na fig. 2, który jest poprzegradzany wyraźnie cienkimi przegrodami 4, by utworzyć wiele komórek 3, które stanowią kanały dla płynu. Cały kształt takiej kształtki o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu nie jest szczególnie ograniczony, a jego przykłady obejmują kształt cylindryczny, pokazany na fig. 2, a dodatkowo kształt graniastosłupa o podstawie kwadratowej, graniastosłupa o podstawie trójkątnej i inne kształty. Kształt komórki (kształt przekroju prostopadłego do kierunku tworzenia komórki) kształtki o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu nie jest szczególnie ograniczony, a jego przykłady obejmują komórkę o przekroju czworokątnym, pokazaną na fig. 2, a ponadto komórkę sześciokątną, komórkę trójkątną itp.

PL 207 931 B1

Sposób wytwarzania nie jest szczególnie ograniczony i nadają się do zastosowania znane sposoby, takie jak wytłaczanie, wtrysk i tłoczenie. Przede wszystkim stosowany jest korzystnie sposób wytłaczania z materiału nadającego się do formowania, przygotowanej jak opisano powyżej, przy użyciu dyszy mającej żądany kształt komórek, grubość przegród i gęstość komórek. Sposób suszenia nie jest szczególnie ograniczony i nadają się do stosowania znane sposoby, takie jak suszenie gorącym powietrzem, suszenie mikrofalami, suszenie dielektryczne, suszenie pod zmniejszonym ciśnieniem, suszenie próżniowe i suszenie przez wymrażanie. Przede wszystkim, korzystny jest sposób polegający na połączeniu suszenia gorącym powietrzem z suszeniem mikrofalowym lub z suszeniem dielektrycznym, ponieważ całą kształtkę można szybko i równomiernie wysuszyć.

Kształtka o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu według przedmiotowego wynalazku, otrzymana jako opisano powyżej, zawiera materiał nadający się do formowania zawierający co najmniej surowiec kruszywa złożony z metalicznego krzemu i/lub nietlenkowego materiału ceramicznego zawierającego krzem, wodę, spoiwo organiczne, środek porotwórczy i źródło metalu alkalicznego, przy czym taka kształtka o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu ma wiele komórek stanowiących kanały dla płynu. Przy wypalaniu kształtki spełniane jest zadanie skutecznego uniemożliwiania powstania sytuacji, w której w porowatej strukturze komórkowej o budowie plastra miodu powstają pęknięcia, albo sytuacji, w której porowata struktura komórkowa podobna o budowie plastra miodu zapada się pod swym własnym ciężarem. W szczególności, kiedy materiał nadający się do formowania zawiera 0,1-10 części mas. źródła metalu alkalicznego w przeliczeniu na metal alkaliczny, w odniesieniu do 100 części mas. surowca kruszywa, działanie to zwiększa się.

(iii) 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. 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 praż enia nie jest szczególnie ograniczony, ale zwykle wynosi 1-10 h.

(iv) 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 surowiec kruszywa stosuje się węglik krzemu, materiał ten jest korzystnie wypalany w temperaturze 1300-2300°C przez 1-5 h.

P r z y k ł a d y

Przedmiotowy wynalazek zostanie opisany poniżej szczegółowo na podstawie przykładów, w których wytwarzana był a porowata struktura komórkowa o budowie plastra miodu, o duż ej porowatości 60% i przykładów porównawczych. Jednakże przedmiotowy wynalazek nie jest ograniczony do tych przykładów. Należy zauważyć, że jeśli chodzi o przeciętną średnicę cząstek surowców kruszywa w następujących przykładach i przykładach porównawczych, za pomocą analizatora rozkładu wielkości cząstek, opartego na przepuszczaniu promieni rentgenowskich (np. Sedigraph 5000-02 produkcji firmy Shimadzu Corp.) zmierzono wartość średnicy cząstek, odpowiadającą 50%. Analizator ten określa rozkład wielkości cząstek na podstawie przepuszczania promieni rentgenowskich wykorzystując jako zasadę pomiaru proces sedymentacji z fazy ciekłej według Stokes'a.

Wytwarzanie kształtki o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu

P r z y k ł a d 1

Jako surowiec kruszywa przygotowano łącznie 100 części mas., obejmujące 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 dodano 0,45 części mas. laurynianu potasu (0,07 części mas. w przeliczeniu na metal alkaliczny) jako źródło metalu alkalicznego do 100 części mas. surowca kruszywa. Ponadto dodano jako organiczne spoiwa metylocelulozę i hydroksypropylometylocelulozę, a skrobię dodano jako środek porotwórczy. Dodano odpowiednią ilość wody i materiał mieszano i zagniatano za pomocą mieszarki podciśnieniowej w celu przygotowania materiału nadającego się do formowania.

PL 207 931 B1

Przez wytłaczanie opisanego powyżej materiału do formowania przy użyciu dyszy o kształcie komórek, grubości przegród międzykomórkowych i gęstości komórek, jak opisano powyżej, z ciasta formowano kształtkę o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu, a następnie kształtkę tę suszono przez suszenie gorącym powietrzem w połączeniu z suszeniem mikrofalowym, by otrzymać uformowaną kształtkę o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu. Otrzymana uformowana kształtka o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu miała kwadratową powierzchnię końcową (powierzchnię otwarcia komórek) 35x35 mm oraz długość całego kształtu 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 2-6

Uformowane kształtki o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu otrzymano w taki sam sposób jak w przykładzie 1, z tym wyjątkiem, że rodzaje i ilości dodawanego źródła metalu alkalicznego ustawiono na 0,15 części mas. laurynianu potasu (0,02 części mas. w przeliczeniu na metal alkaliczny: przykład 2), 0,05 części mas. wodorotlenku potasu (0,03 części mas. w przeliczeniu na metal alkaliczny: przykład 3), 0,05 części mas. wodorotlenku sodu (0,03 części mas. w przeliczeniu na metal alkaliczny: przykład 4), 0,9 części mas. laurynianu potasu (0,15 części mas. w przeliczeniu na metal alkaliczny: przykład 5) oraz 10 części mas. wodorotlenku potasu (7 części mas. w przeliczeniu na metal alkaliczny: przykład 6).

P r z y k ł a d 7

Jako surowiec kruszywa przygotowano 100 części mas. sproszkowanego metalicznego krzemu o przeciętnej średnicy cząstek 4,0 μm. Ponadto, dodano 0,45 części mas. laurynianu potasu (0,07 części mas. w przeliczeniu na metal alkaliczny) jako źródło metalu alkalicznego do 100 części mas. surowca kruszywa. Ponadto, jako spoiwa organiczne dodano metylocelulozę i hydroksypropylometylocelulozę, a skrobię dodano jako środek porotwórczy. Dodano odpowiednią ilość wody i materiał mieszano i zagniatano za pomocą mieszarki podciśnieniowej, by przygotować materiał nadający się do formowania. Następnie w taki sam sposób, jak w przykładzie 1, otrzymano uformowaną kształtkę o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu.

Porównawczy przykład 1

Uformowane kształtki o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu otrzymano w taki sam sposób jak w przykładzie 1, z tym wyjątkiem, że nie dodano źródła metalu alkalicznego.

Porównawcze przykłady 2 i 3

Uformowane kształtki o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu otrzymano w taki sam sposób jak w przykładzie 1, z tym wyjątkiem, że dodano 0,03 części mas. laurynianu potasu (0,005 części mas. w przeliczeniu na metal alkaliczny: porównawczy przykład 2) oraz 20 części mas. wodorotlenku potasu (14 części mas. w przeliczeniu na metal alkaliczny: porównawczy przykład 3).

Prażenie

Uformowane kształtki o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu z przykładów 1-7 i porównawczych przykładów 1-3 prażono (odtłuszczano) w atmosferze w temperaturze w przybliżeniu 400°C przez pięć godzin, aby otrzymać przez to wyprażone kształtki.

Wypalanie

Prażone kształtki z przykładów 1-6 oraz porównawczych przykładów 1-3 wypalano w atmosferze argonu w temperaturze w przybliżeniu 1450°C przez dwie godziny, aby otrzymać porowate struktury komórkowe o budowie plastra miodu (spieczone kształtki z węglika krzemu). Prażoną kształtkę z przykładu 7 wypalano w atmosferze azotu w temperaturze w przybliżeniu 1450°C przez dwie godziny, aby otrzymać porowatą strukturę komórkową o budowie plastra miodu (spiekana kształtka z azotku krzemu).

Ocena

W odniesieniu do prażonych kształtek z przykładu 1-7 i porównawczych przykładów 1-3 oceniano podanymi poniżej sposobami (1) wytrzymałość prażonych kształtek, (2) stan prażonych kształtek oraz (3) porowatość porowatych struktur komórkowych o budowie plastra miodu.

(1) Wytrzymałość prażonej kształtki

Wytrzymałość mierzono zgodnie ze sposobem badania wytrzymałości drobnych wyrobów ceramicznych na ściskanie, opisanym w JIS R 1608. Najpierw, stosując materiał nadający się do formowania przygotowaną w przykładach 1-7 i w porównawczych przykładach 1-3 wytłoczono sześcienne kształtki o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu, każda o długości boku 35 mm i o takim

PL 207 931 B1 samym kształcie komórki grubości przegród międzykomórkowych i gęstości komórek jak w odpowiednich przykładach i przykładach porównawczych. Kształtki te suszono i prażono takimi samymi sposobami suszenia i prażenia jak sposoby stosowane w przypadku odpowiednich przykładów i przykładów porównawczych, by przygotować próbki do badań. Następnie, jak pokazano na fig. 3, do badanej próbki 31 przyłożono nacisk za pośrednictwem ściskającej płytki 32 w kierunku tworzenia komórki 31a, zmierzono wytrzymałość na ściskanie i odpowiednio oceniono wytrzymałość prażonej kształtki. Należy zauważyć, że sześcienna kształtka o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu była traktowana jako lity sześcian, a maksymalne obciążenie podzielono przez 35x35 mm², by obliczyć wytrzymałość na ściskanie. Wyniki przedstawiono w tablicy 1.

(2) Stan prażonej kształtki

Obserwowano wzrokowo występowanie pęknięć w prażonej kształtce i zapadania się prażonej kształtki pod swym własnym ciężarem, aby ocenić przez to stan prażonej kształtki. Wyniki pokazano w tablicy 1.

(3) Porowatość porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu

Porowatość porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu mierzono metodą wtłaczania rtęci, by przez to ocenić porowatość porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu. Wyniki przedstawiono w tablicy 1.

Wyniki

Prażone kształtki z przykładów 1-7 miały wytrzymałość co najmniej 0,01 kG/cm² i wytrzymałość ta była zwiększona w porównaniu z prażoną kształtką z porównawczego przykładu 2. Powstawania pęknięć lub zapadania się pod własnym ciężarem nie zaobserwowano w żadnej z prażonych kształtek z przykładów 1-7. Ponadto w porowatych strukturach komórkowych o budowie plastra miodu z przykładów 1-7 utrzymywana była porowatość równa porowatości porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu z porównawczego przykładu 1 i nie zauważono zmniejszenia porowatości.

Z drugiej strony, prażonej kształtki z porównawczego przykładu 1 nie można było powstrzymać od zapadania się pod swym własnym ciężarem. Prażona kształtka z porównawczego przykładu 2 miała wytrzymałość tylko 0,005 kG/cm² i nie można było powstrzymać pęknięć. Z drugiej strony, prażona kształtka z porównawczego przykładu 3 miała wytrzymałość 20,0 kG/cm², to znaczy wytrzymałość znacznie zwiększoną w porównaniu z wytrzymałością z przykładu porównawczego 1, a powstawania pęknięć ani zapadania się pod swym własnym ciężarem nie zauważono. Jednakże w porowatej strukturze komórkowej o budowie plastra miodu z porównawczego przykładu 3 porowatość znacznie zmniejszyła się w porównaniu z porowatością z porównawczego przykładu 1. Oznacza to, że nie można było uzyskać porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu o zamierzonej dużej porowatości (porowatość 60%).

Zastosowanie przemysłowe

Jak opisano powyżej, przy wytwarzaniu porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu według przedmiotowego wynalazku materiał do formowania zawiera źródło metalu alkalicznego. Dlatego przy wypalaniu uformowanej kształtki możliwe jest skuteczne zapobieganie sytuacji, w której powstają pęknięcia w porowatej strukturze komórkowej o budowie plastra miodu, albo sytuacji, w której porowata struktura komórkowa o budowie plastra miodu zapada się pod swym własnym ciężarem.

PL 207 931 B1

Porowatość

komórkowej struktury porowatej podobnej do

plastra pszczelego

o <·

o

o vo

o 'Ό

O 'C

00 irt

O

$

o o

O

3 ifc

-o .Jf ‘3 1 £

·> §

Ό ¢3 •g '1

knięć lięcia

< ‘3 -S

-& .2 J -f

-g, .2 •s ^u g -S*

<s &

2

knięć ! lięcia

g i

s i

s 1

£ 1

£ i

£ 1

£ a

k

H a

ϋ

s.

<Ł> PL,

1 1

«

oa .2

ffl

pa .2

cc

pa .2

N

CQ .2

o

Ί

i 1

'e

Ό

CS

£

i

O

O θ'

o θ'

<o θ'

o o

θ'

00

O θ'

^[

O o

o CS

O -co

&

5 >»

i

O

S3

wprzeli etalalka

ε

O

m

ΙΠ

vj

o on o

!>· N

o_n θ'

o o'

O O

o θ'

O

r-

o θ'

¹

O o

ta

a ε

O 3

π α

3 3 a

Ilość części

1

m o

0,15

0,05

<σ o

o

0,45

0,03

o CS

ε

I

·! -

s - ‘3 §

rotlenek tasu

1 1 Ί

i i

rotlenek tasu

i

I i

•otlenek tasu

<§

Laur po

1 Ł

od °P°M

Wodo Si

1 ^K

Wodo po

Laur po

| &

Wodo, po

Si

ni/meta- (80:20)

iu/meta- (80:20)

lu/meta- (80:20)

lik krzemu/meta- iy krzem (80:20)

m/meta- (80:20)

1

2 o U Y 3 o a oo

s ° g E o

S* o' S o

J i

i i

likkrzen y krzem

likkrzen Ly krzem

lik krzen y krzem

taliczny]

g E ί

ik krzem y krzem

&

OJ) R

> 1

$ 8

on S J» o

$ 8

$ a

Mei

B B

B §

§

CZ)

i 3

£ a

> £

:> -

CS 3

m

§

1/Ί 3

Ό

'S

3 d

3 ί

3

a

3

a

3

% g

a |

&

g*

&

B*

B¹ '8

B* §

B¹ §

£

CL,

£

fi 8.

fi Ł

Zastrzeżenia patentowe

Claims

1. Sposób wytwarzania porowatej struktury komórkowej o budowie plastra miodu, w którym miesza i zagniata się co najmniej surowiec kruszywa, wody, spoiwa organicznego, środka porotwórczego i źródła metalu alkalicznego, w którym uzyskuje się materiał nadający się do formowania, przy czym surowiec kruszywa zawiera metaliczny krzem i/lub nietlenkowy materiał ceramiczny zawierający krzem; formuje się z materiału nadającego się do formowania kształtkę o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu, posiadającej wiele komórek, które stanowią kanały dla płynu, a następnie suszenie, uzyskując uformowaną kształtkę o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu;

PL 207 931 B1 praży się uformowaną kształtkę o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu uzyskując prażoną kształtkę; oraz wypala się prażoną kształtkę otrzymując porowatą strukturę komórkową o budowie plastra miodu, przy czym materiał nadający się do formowania zawiera 0,01-10 części mas. źródła metalu alkalicznego w przeliczeniu na metal alkaliczny w odniesieniu do 100 części mas. surowca kruszywa, znamienny tym, że źródłem metalu alkalicznego jest wodorotlenek potasu lub wodorotlenek sodu.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że surowiec kruszywa zawiera co najmniej jeden składnik wybrany z grupy złożonej z węglika krzemu, azotku krzemu i metalicznego krzemu; a całkowita masa tych składników wynosi co najmniej 50% mas. całkowitej masy surowca kruszywa.

3. Kształtka o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu zawierająca materiał nadający się do formowania, zawierającą przynajmniej surowiec kruszywa, wodę, spoiwo organiczne, środek porotwórczy i źródło metalu alkalicznego, przy czym surowiec kruszywa zawiera metaliczny krzem i/lub nietlenkowy materiał ceramiczny zawierający krzem, a uformowana kształtka o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu ma wiele komórek stanowiących kanały dla płynu, przy czym materiał nadający się do formowania zawiera 0,01-10 części mas. źródła metalu alkalicznego w przeliczeniu na metal alkaliczny w odniesieniu do 100 części mas. surowca kruszywa, znamienny tym, że źródłem metalu alkalicznego jest wodorotlenek potasu lub wodorotlenek sodu.

4. Kształtka o strukturze komórkowej o budowie plastra miodu według zastrz. 3, znamienna tym, że surowiec kruszywa zawiera przynajmniej jeden składnik wybrany z grupy złożonej z węglika krzemu, azotku krzemu i metalicznego krzemu, a całkowita masa tych składników wynosi co najmniej 50% mas. całkowitej masy surowca kruszywa.