[go: up one dir, main page]

RU2737298C1 - Method of producing nanoporous ceramics based on mullite - Google Patents

Method of producing nanoporous ceramics based on mullite Download PDF

Info

Publication number
RU2737298C1
RU2737298C1 RU2020119216A RU2020119216A RU2737298C1 RU 2737298 C1 RU2737298 C1 RU 2737298C1 RU 2020119216 A RU2020119216 A RU 2020119216A RU 2020119216 A RU2020119216 A RU 2020119216A RU 2737298 C1 RU2737298 C1 RU 2737298C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
mullite
sio
ceramics
mixture
amorphous sio
Prior art date
Application number
RU2020119216A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Людмила Викторовна Морозова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН)
Priority to RU2020119216A priority Critical patent/RU2737298C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2737298C1 publication Critical patent/RU2737298C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00Manufacture or treatment of nanostructures
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/16Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on silicates other than clay
    • C04B35/18Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on silicates other than clay rich in aluminium oxide
    • C04B35/185Mullite 3Al2O3-2SiO2
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/6261Milling
    • C04B35/62615High energy or reactive ball milling
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/0051Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof characterised by the pore size, pore shape or kind of porosity
    • C04B38/0054Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof characterised by the pore size, pore shape or kind of porosity the pores being microsized or nanosized
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/06Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by burning-out added substances by burning natural expanding materials or by sublimating or melting out added substances

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Silicates, Zeolites, And Molecular Sieves (AREA)

Abstract

FIELD: technological processes.
SUBSTANCE: invention relates to production of porous mullite materials and articles made therefrom and can be used in production of filtration elements for various fields of national economy, in particular, for purification of drinking water. Of Al(NO3)3⋅9H2O salt, diluted solution with concentration of 0.1 M is prepared, from which is deposited aluminum hydroxide with aqueous solution of NH4OH (~1 M) at temperature 0-2°C. Gel-like residue Al(OH)3 is subjected to vacuum filtration with subsequent heat treatment at 150°C to form boehmite (AlOOH). To obtain amorphous SiO2, silicic acid is subjected to thermal decomposition in the temperature range of 100-250°C. Mixing is performed γ-Al2O3 and amorphous SiO2 in ratio Al2O3 : SiO2 = 3:2 in dry grinding mode, then into mixture of 3Al2O3⋅2SiO2 introducing a pore-forming component, in form of ammonium carbonate in amount of 10 or 20 wt% to total weight of powder and stirred for 10 minutes for homogeneous distribution (NH4)2CO3 in whole volume of mixture, after which produced powders are compacted at pressure of 70 or 100 MPa and burnt at 1300°C for 2 hours.
EFFECT: method enables synthesis of single-phase mullite with controlled open porosity and narrow monomodal pore distribution.
1 cl, 2 tbl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области создания пористых муллитовых материалов и изделий из них и может быть использовано при производстве фильтрационных элементов для различных областей народного хозяйства.The invention relates to the field of creating porous mullite materials and products from them and can be used in the production of filtration elements for various areas of the national economy.

Решаемая изобретением техническая задача заключается в следующемThe technical problem solved by the invention is as follows

Керамические мембранные фильтры на основе диоксида циркония (ZrO2) и оксида алюминия (Al2O3) находят применение при тонкой очистке жидких и газовых сред в различных отраслях промышленности и коммунальном хозяйстве. Это обусловлено тем, что данная керамика обладает особым комплексом свойств: высокой химической и коррозионной стойкостью, термической стабильностью при температурах эксплуатации ≥500°С, стабильностью геометрических размеров, длительным ресурсом работы и возможностью многократной регенерации. Несмотря на хрупкость и относительно высокую стоимость керамических фильтров, они быстро окупаются за счет высоких эксплуатационных показателей и длительного срока службы (до 10 лет и выше вместо 1 года для полимерных мембран) [1].Ceramic membrane filters based on zirconium dioxide (ZrO 2 ) and aluminum oxide (Al 2 O 3 ) are used for fine purification of liquid and gaseous media in various industries and utilities. This is due to the fact that this ceramic has a special set of properties: high chemical and corrosion resistance, thermal stability at operating temperatures ≥500 ° C, dimensional stability, long service life and the possibility of multiple regeneration. Despite the fragility and relatively high cost of ceramic filters, they quickly pay off due to their high performance and long service life (up to 10 years and more instead of 1 year for polymer membranes) [1].

В общем случае керамический мембранный фильтр состоит из несущей пористой подложки, обеспечивающей механическую прочность, и тонкого мембранного слоя, определяющего тонкость фильтрации [2]. Однако сложно получить бездефектную керамическую мембрану малой толщины, поэтому наибольшее распространение в настоящее время получают методы производства фильтрационных мембран, включающие два этапа: изготовление пористой несущей подложки и формирование на ней мембранного слоя.In general, a ceramic membrane filter consists of a porous carrier substrate that provides mechanical strength, and a thin membrane layer that determines the filtration fineness [2]. However, it is difficult to obtain a defect-free ceramic membrane of small thickness; therefore, the most widespread methods of production of filtration membranes are nowadays, which include two stages: the manufacture of a porous carrier substrate and the formation of a membrane layer on it.

Композиции на основе α-Al2O3 и алюмомагниевой шпинели (MgAl2O4) наиболее часто применяют в качестве пористой основы [3-6], на которую шликерным литьем или золь-гель методом наносят селективные слои, позволяющие получать размер пор ~ 100-200 нм и сделать их распределение мономодальным [1, 7, 8]. Но в то же время следует отметить, что при изготовлении мембранных слоев большой проблемой является устранение газовых пузырьков, которые появляются в процессе приготовления шликера и его фиксации при термообработке на керамической подложке, что, очень вероятно, будет способствовать формированию пустот в мембранном слое и растрескиванию самого слоя. В связи с этим целесообразно разработать технологию получения пористой керамики с открытой пористостью >40% и мономодальным распределением пор по размерам, средний размер которых не превышает 300 нм. Это позволит использовать данную керамику как полноценную фильтрационную мембрану, исключив этап нанесения на пористую подложку мембранных слоев.Compositions based on α-Al 2 O 3 and aluminum-magnesium spinel (MgAl 2 O 4 ) are most often used as a porous base [3-6], on which selective layers are applied by slip casting or sol-gel method, allowing to obtain a pore size of ~ 100 -200 nm and make their distribution monomodal [1, 7, 8]. But at the same time, it should be noted that in the manufacture of membrane layers, a big problem is the elimination of gas bubbles that appear during the preparation of the slip and its fixation during heat treatment on a ceramic substrate, which is very likely to contribute to the formation of voids in the membrane layer and cracking itself. layer. In this regard, it is advisable to develop a technology for the production of porous ceramics with open porosity> 40% and a monomodal pore size distribution, the average size of which does not exceed 300 nm. This will allow this ceramics to be used as a full-fledged filtration membrane, eliminating the stage of deposition of membrane layers on a porous substrate.

В качестве пористого оксидного материала рационально использовать соединение оксида алюминия с диоксидом кремния - муллит (3Al2O3⋅2SiO2) [9]. При синтезе муллита из природных алюмосиликатов (каолин, шамот, кварцевый песок, кремнезем) при температуре ≥1500°С даже в относительно чистых материалах практический выход муллита составляет не более 50-60% от теоретического [10].As a porous oxide material, it is rational to use a compound of aluminum oxide with silicon dioxide - mullite (3Al 2 O 3 ⋅2SiO 2 ) [9]. When synthesizing mullite from natural aluminosilicates (kaolin, chamotte, quartz sand, silica) at temperatures ≥1500 ° C, even in relatively pure materials, the practical yield of mullite is no more than 50-60% of the theoretical [10].

Известен способ получения муллита по патенту РФ №2463275, включающий смешение природного алюмосиликатного соединения и алюминийсодержащего соединения, механическую активацию полученной смеси с последующей термообработкой, отличающийся тем, что в качестве природного алюмосиликатного сырья используют алюмосиликат состава, соответствующего формуле Al2O3⋅SiO2, а в качестве алюминийсодержащего соединения - технический глинозем при следующем соотношении компонентов, мас. %: природный алюмосиликат Al2O3⋅SiO2 - 62-72 технический глинозем - остальное, после чего исходную смесь обрабатывают в центробежной мельнице проточного типа с механической нагрузкой мелющих тел, соответствующей ускорению не менее 20 g, с последующей термообработкой.There is a known method for producing mullite according to RF patent No. 2463275, including mixing a natural aluminosilicate compound and an aluminum-containing compound, mechanical activation of the resulting mixture followed by heat treatment, characterized in that an aluminosilicate composition corresponding to the formula Al 2 O 3 ⋅SiO 2 is used as a natural aluminosilicate raw material, and as an aluminum-containing compound - technical alumina with the following ratio of components, wt. %: natural aluminosilicate Al 2 O 3 ⋅SiO 2 - 62-72 technical alumina - the rest, after which the initial mixture is processed in a flow-type centrifugal mill with a mechanical load of the grinding bodies corresponding to an acceleration of at least 20 g, followed by heat treatment.

Основная трудность получения муллита таким способом заключается в необходимости использования высоких температур, чтобы повысить диффузионную подвижность катионов алюминия и кремния через слой 3Al2O3⋅2SiO2, образующегося на границе между частицами исходных оксидов [11], и это препятствует формированию требуемой поровой структуры в муллитовой керамике. Поэтому важно проведение исследований в направлении разработки технологических приемов для получения 3Al2O3⋅2SiO2 из синтетических компонентов с заданными параметрами открытой пористости и распределением пор по размерам. На данный момент в научной литературе практически отсутствуют сведения об условиях формирования пористой структуры в муллите с размером пор <300 нм.The main difficulty in producing such a way mullite is the necessity of using high temperatures to increase the diffusion mobility of cations of aluminum and silicon through a layer of 3Al 2 O 3 ⋅2SiO 2 formed on the border between particles of the starting oxides [11], and this prevents the formation of the desired pore structure in mullite ceramics. Therefore, it is important to conduct research in the direction of developing technological methods for obtaining 3Al 2 O 3 ⋅2SiO 2 from synthetic components with given parameters of open porosity and pore size distribution. At the moment, there is practically no information in the scientific literature on the conditions for the formation of a porous structure in mullite with a pore size of <300 nm.

Из уровня техники известен пористый огнеупорный муллитовый материал по патенту РФ №2182569, содержащий муллит состава х Al2O3⋅ySiO2, полученный экзотермической реакцией между молотыми компонентами минеральной шихты, включающей диоксид кремния и алюминий, перемешанными с жидким стеклом, отличающийся тем, что материал имеет пористость 55-65%, теплопроводность при 20°С 0,06-0,10 Вт/м⋅К и содержит 50-78 мас. % муллита с содержанием в нем х 66-72 мас. % и у 28-34 мас. %, при этом экзотермическая реакция протекает в объеме отвержденного пористого материала, полученного перемешиванием шихты с газообразователем - кристаллическим кремнием, предварительно активированным путем тонкого помола до размера частиц <100 мкм и смешанным с жидким стеклом с рН>8, при следующих массовых соотношениях компонентов: диоксид кремния : алюминий = (1,5-9,0):1, жидкое стекло : кремний = (2-6):1 и шихта : жидкое стекло = (1,0-1,5):1. Способ получения этого материала, включающий приготовление шликерного состава путем смешивания шихты, включающей диоксид кремния и алюминий, с жидким стеклом, формование, обезвоживание и нагрев до температуры инициирования экзотермического синтеза 700-800°C с последующим синтезом муллита при 1400-1700°С, отличающийся тем, что используют молотую минеральную шихту, в шликерный состав вводят газообразователь - кристаллический кремний, предварительно активированный путем тонкого помола до размера частиц <100 мкм и смешанный с жидким стеклом с рН>8, при следующих массовых соотношениях компонентов: диоксид кремния: алюминий = (1,5-9,0):1, жидкое стекло : кремний = (2-6):1 и шихта : жидкое стекло = (1,0-1,5):1, обезвоживание шликерного состава с получением отвержденного пористого материала осуществляют путем испарения воды в процессе взаимодействия газообразователя с жидким стеклом, а синтез муллита проводят в объеме отвержденного пористого материала.A porous refractory mullite material according to RF patent No. 2182569 is known from the prior art, containing mullite of composition x Al 2 O 3 ⋅ySiO 2 , obtained by exothermic reaction between ground components of a mineral charge, including silicon dioxide and aluminum, mixed with liquid glass, characterized in that the material has a porosity of 55-65%, a thermal conductivity at 20 ° C 0.06-0.10 W / m⋅K and contains 50-78 wt. % mullite with a content of x 66-72 wt. % and 28-34 wt. %, while the exothermic reaction takes place in the volume of the solidified porous material obtained by mixing the mixture with a gasifier - crystalline silicon, pre-activated by fine grinding to a particle size of <100 μm and mixed with water glass with pH> 8, with the following mass ratios of components: dioxide silicon: aluminum = (1.5-9.0): 1, liquid glass: silicon = (2-6): 1 and charge: liquid glass = (1.0-1.5): 1. A method of obtaining this material, including the preparation of a slip composition by mixing a charge, including silicon dioxide and aluminum, with water glass, molding, dehydration and heating to the initiation temperature of exothermic synthesis 700-800 ° C, followed by the synthesis of mullite at 1400-1700 ° C, which is different the fact that a ground mineral charge is used, a gas former is introduced into the slip composition - crystalline silicon, pre-activated by fine grinding to a particle size of <100 μm and mixed with liquid glass with pH> 8, at the following mass ratios of components: silicon dioxide: aluminum = ( 1.5-9.0): 1, liquid glass: silicon = (2-6): 1 and charge: liquid glass = (1.0-1.5): 1, dehydration of the slip composition to obtain a hardened porous material is carried out by evaporation of water during the interaction of the blowing agent with liquid glass, and the synthesis of mullite is carried out in the volume of a cured porous material.

Данное техническое решение, как наиболее близкое к заявленному по техническому существу и достигаемому результату, принято в качестве его прототипа. Данная технология позволяет получить керамику 3Al2O3⋅2SiO2 с открытой пористостью ~50% и размером частиц 10-100 мкм в температурном интервале 1400-1700°С.This technical solution, as the closest to the one declared in terms of the technical essence and the achieved result, was adopted as its prototype. This technology makes it possible to obtain ceramics 3Al 2 O 3 ⋅2SiO 2 with open porosity of ~ 50% and a particle size of 10-100 microns in the temperature range 1400-1700 ° C.

Недостатками известного технического решения является высокая температура получения муллитовой керамики и то, что в таком крупнодисперсном керамическом материале крайне сложно достичь равномерного распределения пор по размерам, не говоря уже о создании поровой структуры необходимой для фильтрационных мембран. Для снижения температуры образования муллита и создания на его основе тонкопористой керамики желательно использовать дисперсные компоненты [13], что позволит сформировать в конечном изделии нанопористую структуру.The disadvantages of the known technical solution are the high temperature of obtaining mullite ceramics and the fact that in such a coarse ceramic material it is extremely difficult to achieve a uniform pore size distribution, not to mention the creation of a pore structure necessary for filtration membranes. To reduce the temperature of mullite formation and create fine-porous ceramics on its basis, it is desirable to use dispersed components [13], which will make it possible to form a nanoporous structure in the final product.

Известно применение механохимического активирования (МА) при синтезе 3Al2O3⋅2SiO2 , что дает возможность увеличить не только дисперсность порошков, но и создает дополнительные структурные дефекты, позволяющие интенсифицировать процесс образования и спекания муллитовой керамики при температурах ≤1300°С [14]. В исследованиях [15-18], посвященных механохимическому активированию синтеза муллита, также отмечается положительное влияние МА на процесс формирования 3Al2O3⋅2SiO2 и указывается на возможность снижения температуры спекания муллитовой керамики на 200-300°С по сравнению с методом твердофазного синтеза.It is known to use mechanochemical activation (MA) in the synthesis of 3Al 2 O 3 ⋅2SiO 2 , which makes it possible to increase not only the dispersion of powders, but also creates additional structural defects that allow intensifying the process of formation and sintering of mullite ceramics at temperatures ≤1300 ° C [14] ... In studies [15-18] devoted to the mechanochemical activation of mullite synthesis, a positive effect of MA on the formation of 3Al 2 O 3 ⋅2SiO 2 is also noted and the possibility of reducing the sintering temperature of mullite ceramics by 200-300 ° C in comparison with the method of solid-phase synthesis is noted. ...

Задачей заявляемого изобретения является синтезирование однофазного муллита с использованием механохимического активирования γ-Al2O3 и аморфного SiO2 и получение на его основе нанопористой керамики с контролируемой открытой пористостью (-40-45%) и размером пор менее 200 нм.The objective of the claimed invention is to synthesize single-phase mullite using mechanochemical activation of γ-Al 2 O 3 and amorphous SiO 2 and obtain on its basis nanoporous ceramics with controlled open porosity (-40-45%) and pore size less than 200 nm.

Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для решения указанной заявителем технической проблемы и получения обеспечиваемого изобретением технического результата.The essence of the claimed technical solution is expressed in the following set of essential features sufficient to solve the technical problem indicated by the applicant and obtain the technical result provided by the invention.

Согласно изобретению способ получения нанопористой керамики на основе муллита, включающий синтезирование однофазного муллита с использованием механохимического активирования γ-Al2O3 и аморфного SiO2, характеризуется тем, что из соли Al(NO3)3⋅9H2O приготавливают разбавленный раствор с концентрацией 0.1 М, из которого осуществляют осаждение гидроксида алюминия водным раствором NH4OH (~1 М) при температуре 0-2°С, гелеобразный осадок Al(ОН)3 подвергают вакуумной фильтрации с последующей термообработкой при 150°С до образования бемита (AlOOH), при этом для получения аморфного SiO2 кремниевую кислоту подвергают термическому разложению в интервале температур 100-250°С, затем осуществляют смешение γ-Al2O3 и аморфного SiO2 в соотношении Al2O3:SiO2=3:2 в режиме сухого помола в планетарной мельнице в течение 15 мин при соотношении массы мелющих шаров из высокоплотной алюмооксидной керамики к общей массе порошка 10:1, затем в смесь 3Al2O3⋅2SiO2 вводят порообразующий компонент, в качестве которого используют карбонат аммония в количестве 10 или 20 мас. % к общей массе порошка и перемешивают в течение 10 мин для гомогенного распределения (NH4)2CO3 во всем объеме смеси, после чего полученные порошки компактируют при давлении 70 или 100 МПа, а затем обжигают при 1300°С в течение 2 часов.According to the invention a process for preparing nanoporous ceramics based on mullite, including mullite-phase synthesis using a mechanochemical activation of γ-Al 2 O 3 and amorphous SiO 2, characterized in that the salts of Al (NO 3) 2 O 3 ⋅9H prepared diluted solution with a concentration of 0.1 M, from which aluminum hydroxide is precipitated with an aqueous solution of NH 4 OH (~ 1 M) at a temperature of 0-2 ° C, a gel-like precipitate of Al (OH) 3 is subjected to vacuum filtration followed by heat treatment at 150 ° C to form boehmite (AlOOH) , while to obtain amorphous SiO 2, silicic acid is subjected to thermal decomposition in the temperature range 100-250 ° C, then γ-Al 2 O 3 and amorphous SiO 2 are mixed in the ratio Al 2 O 3 : SiO 2 = 3: 2 in the mode dry grinding in a planetary mill for 15 minutes at a ratio of the mass of grinding balls made of high-density alumina ceramic to the total weight of the powder 10: 1, then a pore-forming agent is introduced into the mixture 3Al 2 O 3 ⋅2SiO 2 component, which is used as ammonium carbonate in an amount of 10 or 20 wt. % to the total mass of the powder and stirred for 10 min for homogeneous distribution of (NH 4 ) 2 CO 3 throughout the mixture, after which the resulting powders are compacted at a pressure of 70 or 100 MPa, and then fired at 1300 ° C for 2 hours.

Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в том, что после прессовки МА-смесей, содержащих (NH4)2CO3 в количестве 10 мас. % и 20 мас. % под давлением 70 МПа получается керамика с бимодальным распределением пор по размерам, рост количества порообразователя приводит к увеличению не только размера пор, но и интервалов их распределения. Использование (NH4)2CO3 в количестве 20 мас. % увеличивает размер пор приблизительно в 1.5 раза. Увеличение давления прессования МА-смесей до 100 МПа способствует образованию керамики с достаточно узким мономодальным распределением пор по размерам (80-110 и 90-150 нм). Заявленный способ позволяет в дальнейшем интенсифицировать процесс спекания и сформировать в керамике нанопористую структуру при температуре 1300°С (2 ч), а использование в качестве порообразователя карбоната аммония дает возможность создать достаточно развитую систему каналообразных пор.The claimed set of essential features ensures the achievement of the technical result, which consists in the fact that after pressing MA-mixtures containing (NH 4 ) 2 CO 3 in an amount of 10 wt. % and 20 wt. % under a pressure of 70 MPa, ceramics with a bimodal pore size distribution are obtained, an increase in the amount of a pore former leads to an increase not only in the pore size, but also in the intervals of their distribution. The use of (NH 4 ) 2 CO 3 in an amount of 20 wt. % increases the pore size by approximately 1.5 times. An increase in the pressing pressure of MA-mixtures to 100 MPa promotes the formation of ceramics with a fairly narrow monomodal pore size distribution (80-110 and 90-150 nm). The claimed method makes it possible to further intensify the sintering process and form a nanoporous structure in ceramics at a temperature of 1300 ° C (2 h), and the use of ammonium carbonate as a pore former makes it possible to create a sufficiently developed system of channel-shaped pores.

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, на котором на фиг. 1 представлены дифрактограммы порошков, полученных при термическом разложении гидроксида алюминия, а - бемит (150°С), б - γ-Al2O3 (500°С), Обозначения: ○ - AlO(ОН), □ - γ-Al2O3, на фиг. 2 - термограммы AlOOH (а) и SiO2⋅nH2O (б), на фиг. 3 - дифрактограммы порошков, полученных при термическом разложении кремниевой кислоты, а - аморфный SiO2 (200°С), б - α-кристобалит (900°С), на фиг. 4 - дифрактограммы муллита, полученного при 1100°С (а) и при 1300°С (б). Обозначения: ◊ - 3Al2O3⋅2SiO2, □ - α-кристобалит, на фиг. 5 - распределение пор по размерам в керамике 3Al2O3⋅2SiO2прес.=70 МПа, 1300°С, 2 ч), а - 10 мас. % (NH4)2CO3; б - 20 мас. % (NH4)2СО3, на фиг. 6 - распределение пор по размерам в керамике 3Al2O3⋅2SiO2прес.=100 МПа, 1300°С, 2 ч), а - 10 мас. % (NH4)2CO3; б - 20 мас. % (NH4)2CO3. Заявленный способ реализуют следующим образом.The essence of the proposed technical solution is illustrated by the drawing, in which FIG. 1 shows the diffraction patterns of powders obtained by thermal decomposition of aluminum hydroxide, a - boehmite (150 ° C), b - γ-Al 2 O 3 (500 ° C), Designations: ○ - AlO (OH), □ - γ-Al 2 O 3 , in FIG. 2 - thermograms of AlOOH (a) and SiO 2 ⋅nH 2 O (b), in Fig. 3 - diffraction patterns of powders obtained by thermal decomposition of silicic acid, a - amorphous SiO 2 (200 ° C), b - α-cristobalite (900 ° C), in Fig. 4 - diffraction patterns of mullite obtained at 1100 ° С (a) and at 1300 ° С (b). Designations: ◊ - 3Al 2 O 3 ⋅2SiO 2 , □ - α-cristobalite, in Fig. 5 - pore size distribution in ceramics 3Al 2 O 3 ⋅2SiO 2 (P press. = 70 MPa, 1300 ° C, 2 h), а - 10 wt. % (NH 4 ) 2 CO 3 ; b - 20 wt. % (NH 4 ) 2 CO 3 , in Fig. 6 - pore size distribution in ceramics 3Al 2 O 3 ⋅2SiO 2 (P pres. = 100 MPa, 1300 ° C, 2 h), а - 10 wt. % (NH 4 ) 2 CO 3 ; b - 20 wt. % (NH 4 ) 2 CO 3 . The claimed method is implemented as follows.

С учетом результатов работы [19], в которой отмечено, что при синтезе муллита из алюмосиликатов существенное значение имеет дисперсность оксида алюминия, а также принимая во внимание исследования по выбору оптимальных компонентов для получения 3Al2O3⋅2SiO2 [15-18], для синтеза однофазного муллита использованы нанодисперсный γ-Al2O3 и аморфный SiO2, полученные из реагентов, приведенных в табл. 1.Taking into account the results of work [19], in which it is noted that in the synthesis of mullite from aluminosilicates, the dispersion of aluminum oxide is of significant importance, and also taking into account the research on the selection of optimal components for obtaining 3Al 2 O 3 ⋅2SiO 2 [15-18], for the synthesis of single-phase mullite used nanodispersed γ-Al 2 O 3 and amorphous SiO 2 , obtained from the reagents given in table. 1.

Figure 00000001
Figure 00000001

Получение γ-Al2O3. Из соли Al(NO3)3⋅9H2O был приготовлен разбавленный раствор с концентрацией 0.1 М, из которого осуществляли осаждение гидроксида алюминия водным раствором NH4OH (~1 М). Процесс осаждения проводили при температуре 0-2°С на водоледяной бане для уменьшения степени агломерации А1(ОН)3. Значение рН в реакционном сосуде поддерживали на уровне 9.0-9.5 единиц, чтобы избежать растворения уже образовавшегося гидроксида алюминия. Гелеобразный осадок Al(ОН)3 подвергали вакуумной фильтрации, а затем термообрабатывали при 150°С (1 ч) в сушильном шкафу «SNOL» до образования бемита (AlOOH), фиг. 1а.Obtaining γ-Al 2 O 3 . A dilute solution with a concentration of 0.1 M was prepared from the Al (NO 3 ) 3 ⋅9H 2 O salt, from which aluminum hydroxide was precipitated with an aqueous solution of NH 4 OH (~ 1 M). The deposition process was carried out at a temperature of 0-2 ° C in a water-ice bath to reduce the degree of agglomeration of A1 (OH) 3 . The pH in the reaction vessel was maintained at 9.0-9.5 units to avoid dissolution of the already formed aluminum hydroxide. A gel-like precipitate of Al (OH) 3 was subjected to vacuum filtration and then heat treated at 150 ° C (1 h) in a SNOL drying oven to form boehmite (AlOOH), Fig. 1a.

Методом дифференциального термического анализа (дериватограф Q-1000 фирмы MOM) исследован процесс термолиза AlOOH, фиг. 2а. В интервале температур 100-300°С происходит дегидратация бемита, далее на кривой ДТА регистрируется экзотермический эффект (420-485°С), соответствующий кристаллизации оксида алюминия. РФА порошка (дифрактометр D8-Advance фирмы Bruker), проведенный после обжига AlOOH при 500°С (1 ч), свидетельствует об образовании γ-Al2O3, средний размер кристаллитов которого составляет 18-20 нм, а площадь удельной поверхности ~115 м2/г (анализатор сорбции газов Quantachrom NOVA 1200е). Экзоэффекты при 760°С и 980°С указывают на фазовые переходы γ-Al2O3→δ-Al2O3 и δ-Al2O3→α-Al2O3 соответственно.The process of AlOOH thermolysis was studied by the method of differential thermal analysis (derivatograph Q-1000 from MOM), Fig. 2a. Boehmite dehydration occurs in the temperature range 100-300 ° C, then the DTA curve shows an exothermic effect (420-485 ° C), corresponding to the crystallization of aluminum oxide. XRD powder (diffractometer D8-Advance Bruker company), AlOOH conducted after calcination at 500 ° C (1 hour), indicating the formation of γ-Al 2 O 3, the average crystallite size which is 18-20 nm and the specific surface area of ~ 115 m 2 / g (Quantachrom NOVA 1200e gas sorption analyzer). Exoeffects at 760 ° C and 980 ° C indicate phase transitions γ-Al 2 O 3 → δ-Al 2 O 3 and δ-Al 2 O 3 → α-Al 2 O 3, respectively.

Получение SiO2. Для получения аморфного SiO2 кремниевую кислоту подвергали термическому разложению. На термограмме, фиг. 2б, в интервале температур 100-250°С фиксируется глубокий эндотермический эффект, характеризующий дегидратацию SiO2⋅nH2O, именно в этом интервале температур происходит основная потеря массы образца (~54%, кривая ТГ) и кремниевая кислота, переходит в аморфный SiO2, фиг. 3а. Площадь удельной поверхности диоксида кремния после термообработки при 250°С (1 ч) составляет ~300 м2/г. В интервале температур 250-850°С, по данным РФА, диоксид кремния не претерпевает фазовых изменений и сохраняет рентгеноаморфную структуру, выше 850°С наблюдается незначительный экзотермический эффект, обусловленный, по данным РФА, фиг. 3б, кристаллизацией α-кристобалита из аморфного оксида кремния.Obtaining SiO 2 . To obtain amorphous SiO 2, silicic acid was subjected to thermal decomposition. The thermogram, Fig. 2b, in the temperature interval 100-250 ° C endotherm is recorded deep characterizing dehydration SiO 2 ⋅nH 2 O, in this temperature range there is the main loss in sample mass (~ 54%, TG curve) and silicic acid, proceeds in the amorphous SiO 2 , fig. 3a. The specific surface area of silica after heat treatment at 250 ° C (1 h) is about 300 m 2 / g. In the temperature range 250-850 ° C, according to XRD data, silicon dioxide does not undergo phase changes and retains an X-ray amorphous structure; above 850 ° C, a slight exothermic effect is observed, due to XRD data, Fig. 3b, crystallization of α-cristobalite from amorphous silicon oxide.

В исследованиях [15-18], отмечается, что алюмосиликатная структура начинает формироваться в процессе МА и последующее нагревание МА-порошка ведет к образованию фазы со шпинельной структурой, которая превращается в муллит при 1100°С [15]. Учитывая вышесказанное, смешение γ-Al2O3 и аморфного SiO2 в соотношении Al2O3:SiO2=3:2 (как в муллите) осуществляли в режиме сухого помола в планетарной мельнице фирмы «Fritch» в течение 15 мин (соотношение массы мелющих шаров из высокоплотной алюмооксидной керамики к общей массе порошка составляло 10:1).In studies [15-18], it is noted that the aluminosilicate structure begins to form during MA and subsequent heating of the MA-powder leads to the formation of a phase with a spinel structure, which turns into mullite at 1100 ° C [15]. Considering the above, the mixing of γ-Al 2 O 3 and amorphous SiO 2 in the ratio Al 2 O 3 : SiO 2 = 3: 2 (as in mullite) was carried out in the mode of dry grinding in a Fritch planetary mill for 15 min (the ratio the mass of grinding balls made of high-density alumina ceramic to the total mass of the powder was 10: 1).

Для формирования пористой структуры в 3Al2O3⋅2SiO2 использовали метод выгорающих добавок, основанный на введении и последующем выжигании порообразующего компонента, данный метод и перспективен для получения проницаемой керамики с порами каналообразной формы [20]. В МА-смеси добавляли порообразователь (карбонат аммония) в количестве 10 и 20 мас. % к общей массе порошка и перемешивали еще в течение 10 мин для гомогенного распределения (NH4)2CO3 во всем объеме смеси, чтобы после его разложения и выгорания получить равномерную пористую структуру в конечном изделии. Из МА-смесей порошков методом одноосного двухстороннего прессования на гидравлическом прессе (ПГР-10) при давлениях 70 и 100 МПа прессовали таблетки (d=30 мм, h=2-3 мм). Спрессованные образцы обжигали на воздухе при температурах 1100, 1200 и 1300°С (2 ч), скорость нагрева составляла ~400°/ч, так как при интенсивном нагреве в большей степени сохраняется химическая активность используемых компонентов [9, 10]. Охлаждение образцов не регулировали и проводили вместе с печью. По результатам РФА после обжига при 1100°С получены образцы 3Al2O3⋅2SiO2 с небольшой примесью фазы α-кристбалита, фиг. 4а, и открытой пористостью 53 и 57% в зависимости от количества (NH4)2СО3, средний размер зерен муллита после обжига составляет 50-60 нм. Следует отметить, что спеченные образцы оказались непрочными и разрушались под воздействием небольших механических нагрузок. При дальнейшем повышении температуры до 1200°С фаза α-кристобалита растворяется в 3Al2O3⋅2SiO2, образуя твердый раствор диоксида кремния в муллите [21]. После обжига при 1300°С получены однофазные образцы 3Al2O3⋅2SiO2 , фиг. 4б. Значения показателей усадки, пористости и среднего размера зерен в спеченных образцах муллита приведены в таблице 2.For the formation of a porous structure in 3Al 2 O 3 ⋅ 2SiO 2 , the method of burnout additives was used, based on the introduction and subsequent burning of a pore-forming component, this method is promising for the production of permeable ceramics with channel-shaped pores [20]. In the MA-mixture was added a blowing agent (ammonium carbonate) in an amount of 10 and 20 wt. % to the total weight of the powder and stirred for another 10 min for homogeneous distribution of (NH 4 ) 2 CO 3 in the entire volume of the mixture, in order to obtain a uniform porous structure in the final product after its decomposition and burnout. Tablets (d = 30 mm, h = 2-3 mm) were pressed from MA-mixtures of powders by the method of uniaxial double-sided pressing on a hydraulic press (PGR-10) at pressures of 70 and 100 MPa. The pressed samples were fired in air at temperatures of 1100, 1200, and 1300 ° C (2 h), the heating rate was ~ 400 ° / h, since the chemical activity of the components used to a greater extent is retained during intense heating [9, 10]. The cooling of the samples was not controlled and was carried out together with the oven. According to the results of XRD analysis after firing at 1100 ° C, samples 3Al 2 O 3 ⋅2SiO 2 with a small admixture of the α-crystallite phase were obtained, Fig. 4a, and open porosity of 53 and 57%, depending on the amount of (NH 4 ) 2 CO 3 , the average grain size of mullite after firing is 50-60 nm. It should be noted that the sintered samples turned out to be fragile and fractured under the influence of small mechanical loads. With a further increase in temperature to 1200 ° C, the α-cristobalite phase dissolves in 3Al 2 O 3 ⋅2SiO 2 , forming a solid solution of silicon dioxide in mullite [21]. After firing at 1300 ° C, single-phase samples 3Al 2 O 3 ⋅2SiO 2 were obtained, Fig. 4b. The values of shrinkage, porosity and average grain size in sintered mullite specimens are shown in Table 2.

Figure 00000002
Figure 00000002

Поскольку пористая проницаемая алюмооксидная керамика востребована в качестве фильтрующих элементов, работающих в условиях воздействия на них как кислот, так и щелочей, была проведена оценка химической стойкости полученных образцов муллита.Since porous permeable alumina ceramics are in demand as filter elements operating under conditions of exposure to both acids and alkalis, an assessment of the chemical resistance of the obtained mullite samples was carried out.

Для определения химической стойкости были выбраны образцы 3Al2O3⋅2SiO2, спеченные при 1300°С. Образцы перед исследованиями сушили до постоянства массы при температуре 120°С, а затем помещали в азотную кислоту (концентрация 2 М) или в гидроксид натрия (концентрация 2 М) и выдерживали в течение 1 ч при температуре 60°С. После этого образцы промывали дистиллированной водой, сушили до постоянства массы и определяли химическую стойкость по потере массы. Образцы пористого муллита имеют достаточно высокие значения кислотостойкости и щелочестойкости, табл. 2. Полученные данные хорошо коррелируют с результатами, приведенными в работе [22].To determine the chemical resistance, 3Al 2 O 3 ⋅ 2SiO 2 samples sintered at 1300 ° C were selected. Before the studies, the samples were dried to constant weight at a temperature of 120 ° C, and then placed in nitric acid (concentration 2 M) or sodium hydroxide (concentration 2 M) and incubated for 1 h at a temperature of 60 ° C. After that, the samples were washed with distilled water, dried to constant weight, and the chemical resistance was determined by weight loss. Samples of porous mullite have rather high values of acid resistance and alkali resistance, table. 2. The data obtained correlate well with the results presented in [22].

Методом ртутной порометрии (порометр фирмы Carlo Erba Strumentazione модель 2000) исследована пористая структура образцов 3Al2O3⋅2SiO2, спеченных при 1300°С. Установлено, что после прессовки МА-смесей под давлением 70 МПа получается керамика с бимодальным распределением пор по размерам. Использование (NH4)2CO3 в количестве 20 мас. % увеличивает размер пор приблизительно в 1.5 раза, по сравнению с 10 мас. % бикарбоната аммония, фиг. 5. Увеличение давления прессования МА-смесей до 100 МПа приводит к образованию керамики с достаточно узким мономодальным распределением пор по размерам: 80-125 нм для 10 мас. % (NH4)2CO3 и 102-153 нм для 20 мас. % (NH4)2CO3, фиг. 6. В табл. 2 приведен объем пор во всех исследованных образцах. Установлено, что пористая структура муллита влияет на предел прочности муллитовой керамики при сжатии, чем меньше размер и объем пор, тем больше значения прочности, табл. 2.The porous structure of 3Al 2 O 3 ⋅ 2SiO 2 samples sintered at 1300 ° C was investigated by mercury porosimetry (porometer manufactured by Carlo Erba Strumentazione, model 2000). It was found that after pressing MA-mixtures under a pressure of 70 MPa, ceramics with a bimodal pore size distribution are obtained. The use of (NH 4 ) 2 CO 3 in an amount of 20 wt. % increases the pore size by approximately 1.5 times, compared with 10 wt. % ammonium bicarbonate, fig. 5. An increase in the pressing pressure of MA-mixtures to 100 MPa leads to the formation of ceramics with a rather narrow monomodal pore size distribution: 80–125 nm for 10 wt. % (NH 4 ) 2 CO 3 and 102-153 nm for 20 wt. % (NH 4 ) 2 CO 3 , Fig. 6. Table 2 shows the pore volume in all studied samples. It was found that the porous structure of mullite affects the ultimate strength of mullite ceramics in compression, the smaller the size and volume of pores, the greater the strength values, table. 2.

Учитывая тот факт, что размер пор в образцах 3Al2O3⋅2SiO2 не превышает 200 нм, а открытая пористость составляет 40-47%, полученную муллитовую керамику можно использовать без селективных слоев в случаях фильтрации жидкостей и газов.Considering the fact that the pore size in the 3Al 2 O 3 ⋅ 2SiO 2 samples does not exceed 200 nm, and the open porosity is 40-47%, the obtained mullite ceramics can be used without selective layers in cases of filtration of liquids and gases.

Предлагаемый способ получения однофазной нанопористой муллитовой керамики включает использование исходных компонентов (γ-Al2O3 и аморфный SiO2) в дисперсном состоянии и механохимическое активирование шихты совместно с порообразователем (карбонат аммония), что позволяет в дальнейшем интенсифицировать процесс спекания и сформировать в керамике нанопористую структуру при температуре 1300°С (2 ч). Использование в качестве порообразователя карбоната аммония позволило создать достаточно развитую систему каналообразных пор. Получена прочная, химически стойкая керамика на основе 3Al2O3⋅2SiO2 с размером зерна менее 100 нм.The proposed method for producing single-phase nanoporous mullite ceramics includes the use of initial components (γ-Al 2 O 3 and amorphous SiO 2 ) in a dispersed state and mechanochemical activation of the charge together with a pore former (ammonium carbonate), which allows further intensification of the sintering process and the formation of nanoporous structure at a temperature of 1300 ° C (2 h). The use of ammonium carbonate as a pore-forming agent made it possible to create a sufficiently developed system of channel-like pores. A strong, chemically resistant ceramics based on 3Al 2 O 3 ⋅2SiO 2 with a grain size of less than 100 nm has been obtained.

Установлено влияние количества карбоната аммония, вводимого в МА-смесь, и давления прессования на открытую пористость керамики, объем пор и распределение пор по размерам. Показана возможность получения керамики 3Al2O3⋅2SiO2 с открытой пористостью -45% и мономодальным распределением пор в интервале от 80 до 150 нм.The effect of the amount of ammonium carbonate introduced into the MA-mixture and the pressing pressure on the open porosity of the ceramic, pore volume, and pore size distribution was established. The possibility of obtaining ceramics 3Al 2 O 3 ⋅2SiO 2 with an open porosity of -45% and a monomodal pore distribution in the range from 80 to 150 nm is shown.

Разработанный способ получения нанопористой керамики на основе муллита позволяет избежать проблем, возникающих при нанесении мембранных слоев на макропористую подложку при создании традиционных фильтрационных элементов, и делает его более простым в технологическом исполнении. Поэтому данный способ получения нанопористой муллитовой керамики целесообразно использовать при производстве фильтрационных элементов для разделения жидкостей, а также в системах подготовки питьевой воды.The developed method for producing nanoporous ceramics based on mullite avoids the problems arising from the deposition of membrane layers on a macroporous substrate when creating traditional filtration elements, and makes it simpler in technological execution. Therefore, this method of obtaining nanoporous mullite ceramics is advisable to use in the production of filtration elements for the separation of liquids, as well as in drinking water treatment systems.

ЛитератураLiterature

1. Комоликов Ю.И., Благинина Л.Л. Технология керамических микро- и ультрафильтрационных мембран (обзор) // Огнеупоры и техническая керамика. 2002. №5. С 20-28.1. Komolikov Yu.I., Blaginina L.L. Technology of ceramic micro- and ultrafiltration membranes (review) // Refractories and technical ceramics. 2002. No. 5. From 20-28.

2. Мулдер М. Введение в мембранную технологию. М.: Мир. 1999. 513 с.2. Mulder M. Introduction to membrane technology. M .: Mir. 1999.513 s.

3. Буякова С.П., Кульков С.Н. Формирование структуры пористой керамики, спеченной из нанокристалических порошков // Огнеупоры и техническая керамика. 2005. №11. С. 6-11.3. Buyakova S.P., Kulkov S.N. Formation of the structure of porous ceramics sintered from nanocrystalline powders // Refractories and technical ceramics. 2005. No. 11. S. 6-11.

4. Красный Б.Л., Тарасовский В.П., Красный А.Б., Кутейникова А.Л. Свойства пористой проницаемой керамики на основе монофракционных порошков корунда и нанодисперсного связующего // Стекло и керамика. 2009. №6. С. 18-21.4. Krasny BL, Tarasovsky VP, Krasny AB, Kuteinikova AL. Properties of porous permeable ceramics based on monofractional corundum powders and nanodispersed binder // Glass and ceramics. 2009. No. 6. S. 18-21.

5. Морозова Л.В., Калинина М.В., Шилова О.А. Получение и свойства пористой керамики на основе алюмомагниевой шпинели и диоксида циркония // Перспективные материалы. 2017. №3. С. 59-69.5. Morozova L.V., Kalinina M.V., Shilova O.A. Obtaining and properties of porous ceramics based on aluminum-magnesium spinel and zirconium dioxide // Perspective materials. 2017. No. 3. S. 59-69.

6. Васильева Е.А., Морозова Л.В., Лапшин А.Е., Конаков В.Г. Пористая керамика на основе алюмомагниевой шпинели // Журнал Прикладной Химии. 2002. Т. 75. Вып. 6. С. 898-902.6. Vasilyeva E.A., Morozova L.V., Lapshin A.E., Konakov V.G. Porous ceramics based on aluminum-magnesium spinel // Journal of Applied Chemistry. 2002. T. 75. Issue. 6.S. 898-902.

7. Зырянов В.В. Многослойные керамические мембраны с селективной проницаемостью // Конструкции из композиционных материалов. 2007. №1. С. 32-49.7. Zyryanov V.V. Multilayer ceramic membranes with selective permeability // Constructions from composite materials. 2007. No. 1. S. 32-49.

8. Витязь П.А., Прохоров О.А., Шелехина В.М., Пилиневич Л.П. Технология изготовления керамических мембранных фильтров с градиентной микро- и нанопористой структурой // Вестник ДГТУ. 2008. Т. 8. №1. С. 37-41.8. Vityaz P.A., Prokhorov O.A., Shelekhina V.M., Pilinevich L.P. Manufacturing technology of ceramic membrane filters with gradient micro- and nanoporous structure // Bulletin of DSTU. 2008. T. 8.No.1. S. 37-41.

9. Матренин С.В., Слосман А.И. Техническая керамика: Учебное пособие. Томск: Изд-во ТПУ. 2004. 75 с.9. Matrenin S.V., Slosman A.I. Technical Ceramics: A Study Guide. Tomsk: TPU Publishing House. 2004.75 p.

10. Дятлова Е.М., Какошко Е.С, Подболотов К.Б. Влияние вида сырья и активирующих добавок на процесс спекания, свойства, и структуру керамики на основе системы Al2O3-SiO2 // Огнеупоры и техническая керамика. 2013. №7 - 8. С. 12-18.10. Dyatlova EM, Kakoshko ES, Podbolotov K.B. Influence of the type of raw material and activating additives on the sintering process, properties, and structure of ceramics based on the Al 2 O 3 -SiO 2 system // Refractories and technical ceramics. 2013. No. 7 - 8. S. 12-18.

11. Стрелов К.К. Теоретические основы технологии огнеупорных материалов: учебное пособие. М.: Металлургия, 1985. 480 с.11. Strelov K.K. Theoretical foundations of refractory materials technology: textbook. M .: Metallurgy, 1985.480 p.

12. Патент РФ №2182569 / Владимиров B.C. Мойзис СЕ. Карпухин И.А. Корсун С.Д. Долгов В.И. / Пористый огнеупорный муллитовый материал и способ его получения. Официальный бюллетень Федеральной службы по интеллектуальной собственности (Роспатент) 2002, №12.12. RF patent №2182569 / Vladimirov B.C. Moisis CE. Karpukhin I.A. Korsun S.D. Dolgov V.I. / Porous refractory mullite material and method for its production. Official Bulletin of the Federal Service for Intellectual Property (Rospatent) 2002, No. 12.

13. Гусев А.И., Ремпель А.А. Нанокристаллические материалы. М.: Физматлит. 2001. 223 с.13. Gusev A.I., Rempel A.A. Nanocrystalline materials. Moscow: Fizmatlit. 2001.223 s.

14. Зырянов В.В. Механохимическая керамическая технология // Механохимический синтез в неорганической химии. Новосибирск: Наука, 1991. 102 с.14. Zyryanov V.V. Mechanochemical ceramic technology // Mechanochemical synthesis in inorganic chemistry. Novosibirsk: Nauka, 1991.102 p.

15. Карагедов Г.Р., Любушко Г.И. Механохимически стимулированный синтез однофазного муллита // Химия в условиях устойчивого развития. 1998. Т. 6. №2-3. С. 161-163.15. Karagedov G.R., Lyubushko G.I. Mechanochemically stimulated synthesis of single-phase mullite // Chemistry in conditions of sustainable development. 1998. T. 6. No. 2-3. S. 161-163.

16. Temuujin J., Okada К., Mackenzie K.D. Comparative study of mechanochemical preparation of aluminosilicate precursors and amorphous silica // Brit. Ceram. Trans. 2000. V. 99. No. 1. P. 76-79.16. Temuujin J., Okada K., Mackenzie K.D. Comparative study of mechanochemical preparation of aluminosilicate precursors and amorphous silica // Brit. Ceram. Trans. 2000. V. 99. No. 1.P. 76-79.

17. Патент РФ №2463275 / Аввакумов Е.Г., Лепезин Г.Г., Ю.В. Сереткин Ю.В./ Способ получения муллита. Официальный бюллетень Федеральной службы по интеллектуальной собственности (Роспатент) 2012, №2.17. RF patent №2463275 / Avvakumov EG, Lepezin GG, Yu.V. Seretkin Yu.V. / Method of obtaining mullite. Official Bulletin of the Federal Service for Intellectual Property (Rospatent) 2012, No. 2.

18. Пимков Ю.В., Филатова Н.В., Косенко Н.Ф., Безруков P.M. Физико-химический анализ механоактивированного процесса муллитизации // Огнеупоры и техническая керамика 2014. №4-5. С. 22-31.18. Pimkov Yu.V., Filatova N.V., Kosenko N.F., Bezrukov R.M. Physicochemical analysis of mechanically activated mullitization process // Refractories and technical ceramics 2014. No. 4-5. S. 22-31.

19. Назарова Т.И., Игнатова Т.С., Перепелицын В.А, Кудрявцева Т.Н. Влияние микроструктуры на свойства синтетических алюмосиликатных изделий // Огнеупоры. 1981. №12. С. 44-47.19. Nazarova T.I., Ignatova T.S., Perepelitsyn V.A., Kudryavtseva T.N. Influence of microstructure on the properties of synthetic aluminosilicate products // Ogneupory. 1981. No. 12. S. 44-47.

20. Гузман И.Я. Высокоогнеупорная пористая керамика. М.: Металлургия, 1971.208 с.20. Guzman I. Ya. Highly refractory porous ceramics. Moscow: Metallurgy, 1971, 208 p.

21. Беляков А.В. Твердые растворы оксида кремния в муллите // Стекло и керамика. 2003. №12. С. 17-20.21. Belyakov A.V. Solid solutions of silicon oxide in mullite // Glass and ceramics. 2003. No. 12. S. 17-20.

22. Морозова Л.В., Лапшин А.Е., Дроздова И.А. Получение и исследование пористой алюмосиликатной керамики // Физика и химия стекла. 2008. Т. 34. №4. С. 578-584.22. L. V. Morozova, A. E. Lapshin, I. A. Drozdova. Obtaining and research of porous aluminosilicate ceramics // Glass Physics and Chemistry. 2008. T. 34. No. 4. S. 578-584.

Claims (1)

Способ получения нанопористой керамики на основе муллита, включающий синтезирование однофазного муллита с использованием механохимического активирования γ-Al2O3 и аморфного SiO2, отличающийся тем, что из соли Al(NO3)3⋅9H2O приготавливают разбавленный раствор с концентрацией 0.1 М, из которого осуществляют осаждение гидроксида алюминия водным раствором NH4OH (~1 М) при температуре 0-2°С, гелеобразный осадок Al(ОН)3 подвергают вакуумной фильтрации с последующей термообработкой при 150°С до образования бемита (AlOOH), при этом для получения аморфного SiO2 кремниевую кислоту подвергают термическому разложению в интервале температур 100-250°С, затем осуществляют смешение γ-Al2O3 и аморфного SiO2 в соотношении Al2O3:SiO2=3:2 в режиме сухого помола в планетарной мельнице в течение 15 мин при соотношении массы мелющих шаров из высокоплотной алюмооксидной керамики к общей массе порошка 10:1, затем в смесь 3Al2O3⋅2SiO2 вводят порообразующий компонент, в качестве которого используют карбонат аммония в количестве 10 или 20 мас.% к общей массе порошка и перемешивают в течение 10 мин для гомогенного распределения (NH4)2CO3 во всем объеме смеси, после чего полученные порошки компактируют при давлении 70 или 100 МПа, а затем обжигают при 1300°С в течение 2 часов.A method for producing nanoporous ceramics based on mullite, including the synthesis of single-phase mullite using mechanochemical activation of γ-Al 2 O 3 and amorphous SiO 2 , characterized in that a dilute solution with a concentration of 0.1 M is prepared from the Al (NO 3 ) 3 ⋅9H 2 O salt , from which the precipitation of aluminum hydroxide is carried out with an aqueous solution of NH 4 OH (~ 1 M) at a temperature of 0-2 ° C, the gel-like precipitate of Al (OH) 3 is subjected to vacuum filtration, followed by heat treatment at 150 ° C until boehmite (AlOOH) is formed, at to obtain amorphous SiO 2, silicic acid is subjected to thermal decomposition in the temperature range 100-250 ° C, then γ-Al 2 O 3 and amorphous SiO 2 are mixed in the ratio Al 2 O 3 : SiO 2 = 3: 2 in dry grinding mode in a planetary mill for 15 min at a ratio of the mass of grinding balls made of high-density alumina ceramic to the total mass of the powder 10: 1, then a pore-forming component is introduced into the 3Al 2 O 3 ⋅2SiO 2 mixture, as a cat Orgo, ammonium carbonate is used in an amount of 10 or 20 wt.% to the total mass of the powder and stirred for 10 min for homogeneous distribution of (NH 4 ) 2 CO 3 in the entire volume of the mixture, after which the resulting powders are compacted at a pressure of 70 or 100 MPa, and then fired at 1300 ° C for 2 hours.
RU2020119216A 2020-05-20 2020-05-20 Method of producing nanoporous ceramics based on mullite RU2737298C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020119216A RU2737298C1 (en) 2020-05-20 2020-05-20 Method of producing nanoporous ceramics based on mullite

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020119216A RU2737298C1 (en) 2020-05-20 2020-05-20 Method of producing nanoporous ceramics based on mullite

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2737298C1 true RU2737298C1 (en) 2020-11-26

Family

ID=73543709

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020119216A RU2737298C1 (en) 2020-05-20 2020-05-20 Method of producing nanoporous ceramics based on mullite

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2737298C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115180932A (en) * 2022-07-06 2022-10-14 武汉科技大学 Mullite porous ceramic synthesized in situ based on high-sodium industrial alumina and preparation method thereof
CN115557619A (en) * 2021-07-02 2023-01-03 宝山钢铁股份有限公司 Cold rolling alkaline reverse osmosis concentrated water zero discharge method and process system
CN117843387A (en) * 2023-04-18 2024-04-09 萍乡学院 A kind of AlOOH loaded mullite porous ceramic and its preparation method and application
CN120923256A (en) * 2025-10-13 2025-11-11 西安建筑科技大学 Mullite fiber porous ceramic and preparation method and application thereof

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2182569C1 (en) * 2001-08-01 2002-05-20 Владимиров Владимир Сергеевич Porous refractory mullite material and method of its manufacture
RU2182568C2 (en) * 2000-06-16 2002-05-20 Закрытое акционерное общество "Научно-технический центр "Бакор" Mixture for production of porous ceramic material
CN101525248A (en) * 2009-04-22 2009-09-09 哈尔滨工业大学 Ceramic aerogel and method for preparing the ceramic aerogel by gel injection moulding
RU2371423C1 (en) * 2008-05-13 2009-10-27 Закрытое акционерное общество Научно-технический центр "Бакор" Method of making ceramic filter element with fibrous structure
CN102503387B (en) * 2011-09-27 2013-05-22 中国地质大学(武汉) A kind of preparation method of high-purity ultrafine mullite powder
RU2584992C1 (en) * 2014-12-16 2016-05-27 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный машиностроительный иниверситет (МАМИ)" (Университет машиностроения) Method of producing alumina structural ceramic

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2182568C2 (en) * 2000-06-16 2002-05-20 Закрытое акционерное общество "Научно-технический центр "Бакор" Mixture for production of porous ceramic material
RU2182569C1 (en) * 2001-08-01 2002-05-20 Владимиров Владимир Сергеевич Porous refractory mullite material and method of its manufacture
RU2371423C1 (en) * 2008-05-13 2009-10-27 Закрытое акционерное общество Научно-технический центр "Бакор" Method of making ceramic filter element with fibrous structure
CN101525248A (en) * 2009-04-22 2009-09-09 哈尔滨工业大学 Ceramic aerogel and method for preparing the ceramic aerogel by gel injection moulding
CN102503387B (en) * 2011-09-27 2013-05-22 中国地质大学(武汉) A kind of preparation method of high-purity ultrafine mullite powder
RU2584992C1 (en) * 2014-12-16 2016-05-27 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный машиностроительный иниверситет (МАМИ)" (Университет машиностроения) Method of producing alumina structural ceramic

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115557619A (en) * 2021-07-02 2023-01-03 宝山钢铁股份有限公司 Cold rolling alkaline reverse osmosis concentrated water zero discharge method and process system
CN115180932A (en) * 2022-07-06 2022-10-14 武汉科技大学 Mullite porous ceramic synthesized in situ based on high-sodium industrial alumina and preparation method thereof
CN115180932B (en) * 2022-07-06 2023-05-16 武汉科技大学 In-situ synthesis of mullite porous ceramics based on high-sodium industrial alumina and its preparation method
CN117843387A (en) * 2023-04-18 2024-04-09 萍乡学院 A kind of AlOOH loaded mullite porous ceramic and its preparation method and application
CN120923256A (en) * 2025-10-13 2025-11-11 西安建筑科技大学 Mullite fiber porous ceramic and preparation method and application thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2737298C1 (en) Method of producing nanoporous ceramics based on mullite
Das et al. Preparation and characterization of novel ceramic membranes for micro-filtration applications
Nandi et al. Preparation and characterization of low cost ceramic membranes for micro-filtration applications
Zhou et al. Elaboration and characterization of tubular macroporous ceramic support for membranes from kaolin and dolomite
US5712037A (en) Substituted silica gel
Zhao et al. Transient liquid phase diffusion process for porous mullite ceramics with excellent mechanical properties
Luo et al. In-situ reaction bonding to obtain porous SiC membrane supports with excellent mechanical and permeable performance
Kim et al. Processing and properties of glass-bonded silicon carbide membrane supports
Krivoshapkina et al. Synthesis of Al2O3–SiO2–MgO ceramics with hierarchical porous structure
Sheng et al. Processing of silicon-derived silica-bonded silicon carbide membrane supports
Luan et al. Hierarchically cell-window structured porous cordierite prepared by particle-stabilized emulsions using potato starch as a modifier
US20250214900A1 (en) Method for manufacturing ceramic material, ceramic material and use of ceramic material
Feng et al. Low-temperature fabrication and properties of porous calcium hexaluminate (CA6) ceramics with low thermal conductivity by one-step method
Cheng et al. Preparation and characterization of high flux alumina membrane supports by composite pore former method
Dilsiz et al. Study of sol–gel processing for fabrication of low density alumina microspheres
Santra et al. Preparation of high performance porous SiC ceramic membrane support using zeolite and alumina as sintering additives
Dong et al. Production of calcium hexaluminate porous planar membranes with high morphological stability and low thermal conductivity
Khanmohammadi et al. Synthesis of meso-porous gamma-alumina membrane: effect of yttria addition on the thermal stability
Issaoui et al. Elaboration of membrane ceramic supports using aluminum powder
Kamato et al. Reactively sintered porous MgAl2O4 for water-purification filter with controlled particle morphology
Dong et al. Cost-effective macro-porous mullite-corundum ceramic membrane supports derived from the industrial grade powder
Anilkumar et al. Effect of precursor pH on the formation characteristics of sol-gel mullite
CN111393156A (en) Preparation method of cordierite porous ceramics
Deutou et al. Semi-vitrified porous kyanite mullite ceramics: Young modulus, microstructure and pore size evolution
Kirillov et al. Influence of initial powders morphology on structural-dimensional characteristics of porous ceramic materials based on SiC/MgO–SiO2