蜂窝陶瓷的制备与应用

#* 年 代 就 由 美 国 康 宁 +,-./0/12 公 司 开 始 试 制 # 并 在 34#5 年进行了小型车尾气净化试验 # 取得了良好的效果 $
目前世界上最大的两个蜂窝陶瓷的生产厂家 ’!(是美国康 宁公司 ! 约占世界市场的 5*6 " 和 日 本 789 公 司 ! 约 占
挤压成形是通过模具将可塑性料挤压成形 ’ 微波干 燥并烧制成多孔陶瓷的方法 $ 形成的孔通常有几个毫米 大 # 小的 孔 可 达 微 米 级 # 而 且 是 直 线 连 通 的 # 常 见 的 孔 外 形有正方形 ’三角形 ’ 六边形等 $ 其制备工艺流程为 % 原料合成 ! 混合练泥 ! 陈腐 ! 挤压成形 !干燥 !烧成 $ 制备蜂窝陶瓷的主要原料有堇青石 ’ 钛酸铝 ’ 锂辉 石 ’ 氧化铝 ’ 锆英石 ’碳化硅 ’氮化硅 ’莫来石等 $ 由于蜂窝 陶瓷采用挤压成形 # 必须在主原料中加入各种添加剂来 提高泥坯的可塑性和流动性 # 这些添加剂主要有 % 粘结 剂 ’ 增塑剂 ’ 解 胶 剂 ’ 润 滑 剂 ’ 润 湿 剂 等 $ 此 外 # 还 有 保 水 剂 ’ 鳌合剂 ’ 静电防止剂 ’ 胶体保护剂和表面活性剂等 $ 目 前大都采 用 淀 粉 ’ 羧 甲 基 纤 维 素 ’ 聚 乙 烯 醇 作 为 粘 结 剂 & 桐油 ’ 硬脂酸等作润滑剂 & 甘油作增塑剂 $ 目前我国已经 生产出 :** 孔 >0/! 模具 # 但是美国 ’ 日本已经研制出了
*++,-./ 陶瓷公司的蜂窝陶瓷挤压 成 形 技 术 和 催 化 剂 技
术 $ 该方法能使低硫煤产生足够的 )’## 无需另外添加硫 $ 这种工艺方法需采用陶瓷材料是因为催化剂在高温环境 下才能起作用 # 而陶瓷材料可在工艺过程中保持惰性 # 不 会和催化剂发生反应 $ 该方法采用熔融石英陶瓷材料挤 压成形做成蜂窝陶瓷 $ 熔融石英的优点在于具有惰性 % 低 热膨胀特性及高热容性 $ 这种熔融石英蜂窝陶瓷可作为 催化剂载体和基底 $ 催化剂被结合在蜂窝陶瓷表面 # 并通
!""# 年第 # 期 ! 第 $!% 期 "
佛山 陶 瓷
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生产与应用
侯来广 3<<<刘艳春 3<<<曾令可
!3 广州锐得森特种陶瓷有限公司 广东 广州
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53*:;5<<<<! 华南理工大学材料学院
广东 广州
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<< 蜂窝陶瓷作为一种功能性多孔材料已越来越受到人们的青睐 # 其在工业 ’ 环保方 面的广
泛应用 # 日益受到人们的重视 $ 本文对蜂窝陶瓷的制备方法 ’ 工艺过程及典型应用进行了介绍 $ 蜂窝陶瓷 # 制备 # 应用
$&&引
言
压 ’ 热压铸 ’ 注浆及注凝成形 $ 其中生产量比较大 ’ 使用比 较广泛的是挤压和热压铸两种方法 $
蜂窝陶瓷作为一种功能性多孔材 料 ’$(# 早 在 !) 世 纪
! 混合球磨
成 品 " 检选加工 " 吹风清理 " 烧 成 " 热压铸成形 图 !"""" 热压铸成形工艺流程图
"
有机物!融 化
! 高温混合搅拌 ! 降温
烧成过程采用慢升温 # 特别是在低温排蜡除去有机 物阶段 # 窑内温度要均匀 # 以减少因有机物的大量迅速排 除及温度不均匀产生开裂等缺陷 $ 烧成设备可用电热隧 道窑及燃油燃气梭式窑 $ 烧成时应注意码坯方法 # 才能保 证成品率及烧成质量 $
#""蜂窝陶瓷的应用
蜂窝陶瓷的应用已非常广泛 # 在很多领域都有成功 的应用 # 下面介绍几种较典型的应用 $ 随着工业的发展 #大气污染也越来越严重 $ 为了控制 大气污染 # 人们开发了多种净化技术 $ 多孔蜂窝陶瓷因其 性能优良 # 已被广泛用于烟道气中 &’(%)’# 的排除处理 $ 例如 # 采用静电沉降器的电厂需选用低硫煤作为原料 # 以 减少硫氧化物 # 从而防止引起酸雨 $ 然而 # 低硫煤含硫量 太低 # 又不能从锅炉中有效去除燃烧产生的灰尘 $ 以往解 决该问题的方法是在工艺过程中加入硫 # 此方法成本高 % 不方便 % 维护危险且影响产率 $ 最近 # *++,-./ 陶瓷公司及相关的公司 % 组织已成功 开发出一种新型陶瓷材料来解决该问题$ 该方法源于
万方数据
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佛山 陶 瓷
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型蜂窝陶瓷载体 &’(# 作为载体 $ 其制备工艺主要采用挤压成形技术 $ 然后 在其表面涂附一层催化活性组分 $ 一般为 )*%+, 和 )- 等 比较昂贵的贵金属 # 催化剂活性组分可以使废气中的有 害成分转变为无害的 ./!%0!/ 和 1! 而排出 # 蜂窝陶瓷由于其发达的比表面本身具有催化功能 $ 而 涂覆特定的催化剂后 $ 则可实现对目标反应的选择性催 化 $ 大幅度地提高通过其孔道流体的转换效率和反应速 率 # 因此目前人们一致认为用蜂窝陶瓷制造的汽车净化器 和微粒捕捉器是控制汽车尾气排放的最有效的方法 #
无机混合料
过二次浸渍工艺渗透至孔隙中 # 在这种蜂窝陶瓷的使用 期限内 # 即使其表面结构在使用过程中被腐蚀掉 # 里面的 催化剂也将持续暴露出来 # 这样便可维持安装时的催化 效率 $ 这种蜂窝陶瓷催化剂结构为解决低硫煤的问题提供 了一种成本低而又非常有效的方法 $ 它的优点还包括 & 节 省能源消耗 % 避免发生火灾和熔融硫储存和处理过程发 生爆炸的潜在危险等 $ 这种工艺方法将产生巨大的经济 效益 # 减少环境污染 $ 蜂窝陶瓷作为过滤材料有以下优点 &!!" 化学稳定性
!H " 方孔蜂窝陶瓷炉头
图 !555 具有红外辐射功能的蜂窝陶瓷
燃气灶具与普通大气式灶具相比 $ 具有以下几方面显著 的优点 ’ !< " 高 效 节 能 ’ 热 效 率 高 $ 节 约 燃 气 $ 是 一 种 具 有 显 著节能效果的燃具 # 红外线家用燃气灶具产品的燃烧热 能主要由辐射传热和对流传热两部分组成 $ 辐射能约占
:*6 "$ 这两大厂家均采用堇青石作为蜂窝载体 # 其原因
是 %!$ " 价格便宜 &!! " 原材料易取得 &!;" 生产工艺简单易 实现 &!: "性能基本上能够满足使用需要 $ 蜂窝陶瓷具有高的比表面积和良好的物理化学稳定 性 # 另外 还 具 有 低 密 度 ’ 高 渗 透 率 ’ 良 好 的 能 量 吸 收 性 能 以及耐高 温 ’ 耐 腐 蚀 ’ 化 学 稳 定 性 和 尺 寸 稳 定 性 高 ’ 易 于 再生等诸多特点 $ 近年来 # 随着制备技术的发展 # 其应用 范围不断扩大 #应用水平也不断提高 $ 蜂窝陶瓷作为一种 新型材料 # 越来越受到人们的重视 $ 与传统的颗粒状陶瓷 载体相比 # 多孔状蜂窝陶瓷载体具有压力降小 ’ 几何表面 大 ’ 扩展 距 离 短 ’ 有 利 于 反 应 物 的 进 入 和 生 成 物 的 排 出 # 并可缩小反应器的体积等优点 $ 因此蜂窝陶瓷特别适用 于汽车尾气的处理 ’ 烟道气的净化 ’ 蓄热体以及红外辐射 燃烧板等方面 $ 本文就其制备技术与典型应用进行介绍 $
好 # 耐酸碱及有机溶剂 ’!0 " 极好的耐急热急冷性能 # 工作 温度可高达 ! 1112’!# "抗菌性能好 #不易被细菌降解 # 不 易堵塞且易再生 ’!3 " 较强的结构稳定性 # 孔径分布狭窄 # 渗透率高 ’!4" 无毒 #尤其适用于食品和药物的处理 $ 这里 主要介绍一下其在冶金和水质净化两个方面的应用536$ 采 用挤压成形工艺 # 使陶瓷过滤片具有独特的正方形和三 角形设计 $ 该结构增加了陶瓷体的比表面积 #提高了过滤 片吸附和捕捉细小杂质的能力 # 比非挤压式过滤片过滤 效果好 # 金属液流动平稳 $ 通过过滤可取得以下效果 &!!" 净 化 金 属 液 # 去 除 非 金 属 杂 质 和 气 体 ’!0 " 使 金 属 液 充 型 平稳 # 减少漩涡 ’!#" 简化浇注系统 # 提高工艺出品率 ’!3" 减少铸件气孔 % 优化 % 细化金属组织 ’!4" 提高铸件表面质 量和力学性能 ’!7 " 降低铸件废品率 ’!8" 减少加工余量和 提高刀具寿命 #降低铸造成本 $ 水质净化方面主要以活性炭材料为主要成分制成孔 径很小的蜂窝载体 # 装入处理设备中处理工业废水中的 重金属和有机物 #具有一定的效果 $ 此种方法吸附容量大 % 阻力小 %价廉 %可再生利用 #但也存在不少不足之处 $ 研究 部门和工厂正在研究开发用聚丙烯材料制成管状或蜂窝 状用于水质净化 #目前处于初试阶段 #有着良好的前景 $ 随着国民经济的高速发展 # 交通运输业所带来的环 境污染日益严重 $ 对国内外大城市大气质量的测试结果 表明 & 汽车尾气是空气污染的主要污染源 $ 汽车尾气中含 有 :’%&’( 和碳氢化合物 # 这些成分虽然占的比例不大 # 但 都是有害的 #并有强烈的刺激性气味及致癌作用 $ 为了解 决这一问题 #目前世界各国都趋向于使用三元催化剂 $ 三 元催化净化器主要由外壳 % 载体和催化剂三部分组成 # 其 中载体是最基本 %最关键的因素 $ 在汽车尾气催化净化器 采用的载体材料中 # 得到广泛应用的是陶瓷材料 # 即整体
!<<蜂窝陶瓷的制备技术
蜂窝陶瓷的制备工艺大体上可以分为 下 面 几 种%挤
ห้องสมุดไป่ตู้
万方数据
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中 # 在室温下有机物硬化后成形 ! 有机物在高温烧结时被 烧掉 "$ 实践表明 # 这是目前比较常用 % 生产效率较高 % 质 量较好的生产方法 $ 为了增加低温强度 #采用低温排蜡的 工艺 # 工艺流程如图 ! 所示 $
?** 孔 >0/!’4** 孔 >0/! 甚至高达 33** 孔 >0/! 的高密度
孔蜂窝陶瓷 $ 我国现在已开始了 ?** 孔 >0/! 挤出成形模 具的研究 # 并取得了初步成功 ’;($ 热压铸成形为注浆成形的一种 # 采用在陶瓷泥料中 加入石蜡 和 油 酸 ’ 硬 脂 酸 ’ 蜂 蜡 等 表 面 活 性 剂 的 方 法 # 在 一定温度下流体化配料 # 再用压缩空气将料浆压入模具
!G " 圆孔蜂窝陶瓷燃烧器
!6 世纪 76 年代初 $ 日本科学家首先发明了高温空气
贫氧燃烧技术 809:.;$ 该技术被誉为 !< 世纪最具发展潜 力的技术之一 # 该技术的关键之一是制备高性能的蓄热 && 蜂窝陶瓷 &=(# 蜂窝陶瓷蓄热体具有耐高温 % 抗 体材料& 腐蚀 % 热震稳定性好 % 强度高 % 蓄热量大 % 导热性能好等显 著优点 $ 节能效果和使用寿命大大提高 # 蓄热式高温空气燃烧是一项具有巨大节能和环保双 重功效的新型燃烧技术 $ 蜂窝陶瓷蓄热体是蓄热式燃烧 器的关键部件 $ 广 泛 用 于 钢 铁 % 机 械 % 建 材 % 石 化 % 有 色 金 属冶炼等行业的各种加热炉 % 热风炉 % 热处理炉 % 裂解炉 % 烘烤器 % 熔化炉 % 均热炉 % 油气锅炉等窑炉中 # 该技术通过 换向装置使两个蓄热室交替吸热放热 $ 最大限度地回收 烟气的热量 $ 再把炉内的助燃空气和煤气加热到 < """> 以上 $ 即使低热值的劣质燃料也能实现稳定着火和高效 燃 烧 $ 可 节 省 燃 料 达 46?@#"A $ 产 量 提 高 $’A 以 上 $ 钢 坯 氧化烧损下降 46A 以上 $1/B 排放小于 <""CCD $ 排放的烟 气温度低于 <’"E$ 大大降低了地球大气的温室效应 # 如 果全国大多数工业窑炉都采用 09:. 技术 $ 其经济效益和 社会效益不可估量 $ 将极大地缓解能源紧缺的状况 $ 并改 善人类的生存环境 # 把蜂窝陶瓷装载在灶具及燃烧器上面 $ 凭借其高开 孔率的优势可以起到充分燃烧的效果 # 另外 $由于其具有 辐射作用可起到节能环保的效果 # 天然液化石油气和煤 气会产生碳氢化合物和 ./ 等有害气体 $ 严重污染室内空 气 $ 而采用蜂窝陶瓷时则可以净化燃烧 # 广州红日燃具公 司生产出了具有圆孔和方孔状耐高温陶瓷片 $ 此种陶瓷 片可装在灶具和燃烧器上 ! 见图 !"$ 使用时燃烧可以辐射 出红外线 $ 使 液 化 气 经 催 化 % 氧 化 而 充 分 燃 烧 $ 碳 氢 化 合 物 %./ 等转化率均在 7’A 以上 # 通过应用该技术 $ 红外线