CZ2004242A3 - Způsob zhotovení membrán z anorganických materiálů nebo teplotně odolných polymerů žárovým nanášením - Google Patents

Description

Způsob zhotovení membrán z anorganických materiálů nebo teplotně odolných polymerů žárovým nanášením

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu zhotovení planárních, kapilárních a tubulárních membrán z anorganických materiálů nebo teplotně odolných polymerů, při němž se použije metoda žárového nanášení.

Dosavadní stav techniky

Dosud známé anorganické membrány jsou vyráběny sintrováním extrudováných, případně koextrudovaných prášků nebo past při teplotách překračujících 1 000 °C, louhováním, fázovou separací, anodickou oxidací, pyrolýzou nebo kluzným odléváním pomocí sol-gel techniky.

Výroba membrány z teplotně odolných polymerů, například teflonu (PTFE) je možná dvěma základními způsoby: natahováním a vymýváním. U prvního postupu se natahuje nesintrovaný PTFE výtlaček, tím se vytvoří póry, které se následně zafixují temperováním. U druhého způsobu vytváříme póry plnidlem, které následně vyplavíme. Podle tohoto postupuje plnidlo NaCl promícháno s částečkami PTFE, ze směsi je vytvořena tenká fólie a plnidlo vymyto horkou vodou nebo kyselinou.

Nevýhodou takových postupů je jejich energetická a technologická náročnost. Membrány vytvořené výše uvedenými metodami nesnesou vyšší mechanické namáhání.

Cílem vynálezu je odstranit nevýhody stávajících anorganických membrán a snížit energetickou náročnost jejich výroby.

Podstata vynálezu

Princip žárového nanášení je obecně známá technologie řadící se do kategorie povrchových úprav. Princip spočívá v natavení částeček nanášeného materiálu, jejich akceleraci s následnou deponací na opracovávaný objekt. Natavené a akcelerované částečky se při dopadu na opracovávaný objekt, nebo na již nanesenou vrstvu díky své kinetické energii a teplotě částečně rozplesknou a vtaví do povrchu.

Žárové nanášení se v současné době nej častěji provádí pomocí elektrického oblouku, další možné metody jsou: nástřik plamenem nebo plazmou, detonační nástřik, vysokorychlostní nástřik plamenem a nástřik laserem.

Velikost pórů membrán vyráběných žárovým nanášením je dána velikostí zrna, kinetickou energií při dopadu, materiálem a teplotou natavení. Těmito veličinami je možné vytvořit membránu podle požadavků aplikace. Pro potřeby membránových a kontaktorových aplikací je vhodný inertní materiál, například keramika nebo nerezové materiály, případně některé polymery.

Pro zvláštní účely je možné při žárovém nanášení použít ochranou atmosféru, je tak možné kontrolovat oxidaci povrchu natavených částic. Tímto způsobem se zvýší chemická odolnost a mechanická pevnost.

Technologie žárového nanášení je poměrně variabilní, proto umožňuje tvorbu anorganických i polymerních membrán několika konstrukčních typů. Samonosná konstrukce, filtrační vrstva přichycena na podpůrnou vrstvu se značnou porózitou, nebo naopak může tvořit onu podpůrnou vrstvu pro přichycení filtrační vrstvy.

Nejjednodušší samonosná filtrační skořepina, anorganická či polymerní membrána je tenkostěnná trubka. Postu výroby takové anorganické membrány pomocí žárového nanášení je následující: 1) Na jádro válcového profilu žárově naneseme NaCl, tak vytvoříme separační vrstvu. 2) Na tuto vrstvu žárově naneseme materiál membrány, nanášený materiál nepřilne k jádru, ale k separační vrstvě. 3) Jádro a membránovou skořepinu jednoduše oddělíme odmočením separační vrstvy. Jak bylo výše řečeno je možné ovlivnit parametry takto vytvořené anorganické membrány zejména počtem nanesených vrstev, nanášeným materiálem, kinetickou energií nanášených částeček při dopadu a stupněm jejich natavení.

Při hromadné výrobě membrán žárovým nanášením je vhodnější vytvořit dutinu (například pro odvod filtrátu) bez použití jádra. Jádro nahradíme separátorem. Postup by mohl být následující: 1) Na planární základnu naneseme separátor. 2) Na tento separátor žárově naneseme vrstvu anorganického materiálu. 3) Na takto získaný základ nalepíme separační pásky vrstvu. 4) Žárově naneseme separační vrstvu například NaCl, tato vrstva ulpí pouze na anorganickém materiálu membrány, ne na separačních páskách. 5) Odstraníme separační pásky. 6) Žárově naneseme anorganický materiál membrány, ten vytvoří povlak. V místě kde byl nanesen separátor (NaCl) přilne kseparátoru a při absenci separátoru přilne kjiž nanesenému anorganickému materiálu membrány. 7) Dutiny vyplněné separátorem, NaCl uvolníme odmočením, spolu s odstraněním planární základny.

Výhodou řešení podle vynálezu je snížení ekonomické náročnosti výroby anorganických membrán popřípadě membrán z teplotně odolných polymerů. Jednoduše aplikovatelná technologie výroby zaručuje jednoduchou rozšiřitelnost výroby na jedné straně a variabilitu možných produktů na straně druhé.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je blíže osvětlen na přiloženém výkresu, kde na obr. 1 schematicky znázorněna skořepinová anorganická membrána vytvořená pomocí jádra.

Příklady provedení vynálezu

Podstatu vynálezu objasňují dále uvedené příklady:

Příklad 1

Jádro z nerezové oceli průměru 83 mm a délky 1 m s konicitou kolem 1% bylo před žárovým nanášením opískováno pro lepší přilnavost nanášeného materiálu. Pomocí plazmového hořáku se na takto upravené jádro žárově nastříkal bílý alfa korund se zrnitostí 20pm. Použitý plazmový hořák (300V, 500A a rozpětí výkonu 90 až 200kW) je schopen pokrýt jádro až 25

kg práškového materiálu za hodinu. K žárovému nanášení byl použit automat zaručující rovnoměrné nanesení nataveného práškového korundu. Materiál jádra byl zvolen také díky vhodným tepelně roztažným vlastnostem, jejichž se využije při sundávání žárově nastříkané vrstvy korundu. Při podchlazení nastříkaného jádra je možné díky dilataci a kónusu jádra nastříkaný vrstvu sundat. Tím vznikla samonosná pórovitá skořepina, která po zarovnání hran měla vnitřní průměr 83 mm tloušťku stěny 2 mm a délku 500mm. Vytvořenou membránu propláchnutím zbavíme volných částic a zapotingujeme pomocí epoxidu. Takto upravenou samonosnou konstrukci - membránu upevníme do testovacího modulu. Po následném měření byla zjištěna 18% porózita a schopnost vydržet vnitřní tlak 6 atmosfér.

Příklad 2

Anorganická membrána z nerez oceli pro extrémní mechanické podmínky byla vytvořena pomocí elektrické žárové pistole. Materiál k žárovému nástřiku byl podáván do metalizační postole ve formě drátu. Ocelové jádro o průměru 32 mm a délce 500 mm bylo uchyceno v zařízení umožňující plynulý rotační pohyb. Žárový nástřik byl proveden ručně, elektrickou metalizační pistolí firmy Sultzer Medko. Nastříkaná skořepina se vyznačuje značnými pevnostními vlastnostmi a je možné ji z jádra sundat pomocí hydraulického lisu. Membránu s vnitřním průměrem 32 mm, vnějším 39mm a délkou 145mm zapotingujeme pomocí epoxidu a upevníme do testovacího modulu. Následným měřením byla zjištěna porózita 21%.

Příklad 3

Na kovovou destičku 6 o rozměrech 180x80x15 mm, s pomocí plazmového hořáku naneseme krystalickou sůl NaCI o velikosti zrna 40pm a vytvoříme tak 0,8 mm silnou vrstvu separátoru

3. Na takto upravenou destičku naneseme opět pomocí plazmového hořáku 1 mm silnou vrstvu bílého alfa korundu. Pomocí upínek upneme kovové jádro 5 půlkruhového profilu s 0,8 mm tlustou vrstvou separátoru 4. Na destičku 6 s vrstvou separátoru 3, keramiky 2 a upnutým jádrem 5 s vrstvou separátoru 4 žárově naneseme 1 mm silnou vrstvu keramiky i. Takto získaný polotovar je znázorněn na Obr. 1. Po zchladnutí byl polotovar vložen do vodní lázně, kde se nanesená sůl rozpustila a jádro 5 se uvolnilo. Zůstaly dvě pevně spojené samonosné vrstvy keramiky 1 a 2 s vnitřní dutinou. Po očištění membrány od uvolněných částeček keramiky a soli byla membrána zapottingována pomocí epoxidu a upevněna do testovacího modulu. Po následném měření byla zjištěna porózita 13%.

Průmyslová využitelnost

Anorganické membrány vytvořené žárovým nanášením jsou vhodné pro mikrofiltraci, ultrafiltraci, nanofiltraci kapalin, plynů a pro kontaktorové aplikace. Jsou využitelné pro práci při vysokých transmembránových tlacích, chemicky agresivním prostředí a v prostředí s vysokou teplotou. Podobné využití mají i membrány vytvořené žárovým nanášením z teplotně odolných polymerů.

Claims (5)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob zhotovení membrán z anorganických materiálů nebo teplotně odolných polymerů vyznačující se tím, že byla použita metoda žárového nanášení.
2. 2. Způsob podle nároku 1 vyznačující se tím, že jejich konstrukce je samonosná nebo je přichycena na podpůrnou vrstvu se značnou porózitou.
3. 3. Způsob podle nároku 1 vyznačující se tím, že porózitu výsledné membrány je možné ovlivnit počtem nanesených vrstev, změnou v geometrii nanášení, změnou nanášeného materiálu, tavící teplotou nebo unášecí rychlostí.
4. 4. Způsob podle nároku 1 vyznačující se tím, že nanášený materiál je od natavení do dopadu chráněn v ochranné inertní atmosféře.
5. 5. Způsob podle nároku 1 vyznačující se tím, že vnitřní prostor membrány byl vytvořen za pomocí jádra a separátoru nebo pouze separátoru.