PL231705B1 - Sposób otrzymywania porowatego kompozytu typu SiC/{C/ SiC}/SiC - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania porowatego kompozytu typu SiC/{C/SiC}/SiC, który może być stosowany jako nośnik katalizatorów wykorzystywanych w wielu procesach, przebiegających w podwyższonych temperaturach, w których wymagane są: zapewnienie przez nośnik dobrego przewodnictwa cieplnego oraz jego odporność na podwyższone temperatury.

Z polskiego opisu patentowego PL 201 148 B1 znany jest sposób wytwarzania na drodze samorozwijającej się syntezy proszku węglika krzemu SiC, jednorodnego pod względem właściwości fizycznych, o zaokludowanych drobinach wolnego węgla wewnątrz cząstek węglika krzemu i rozpuszczonym w nich borem. Sposób polega na tym, że do mieszaniny surowców wprowadza się wszystkie niezbędne składniki: krzem, węgiel i bor, przy czym stosunek molowy Si/C zawiera się w przedziale 0,90-0,99, a ilość boru wynosi 0,3-0,5% masy krzemu i węgla. Mieszaninę homogenizuje się i ogrzewa do temperatury zainicjowania samorozwijającej się syntezy w atmosferze nie zawierającej tlenu, a powstały materiał rozdrabnia się. Sposób ten pozwala na otrzymanie proszku, zawierającego niezbędne do kompaktowania na drodze spiekania aktywatory.

W polskim opisie patentowym PL 215 617 B1 ujawniono sposób otrzymywania katalitycznej kształtki na bazie SiC o porowatym korpusie o strukturze plastra miodu z umieszczonym na niej katalizatorem do zastosowań w oczyszczaniu spalin samochodowych. Kształtka otrzymywana jest na bazie mieszaniny sproszkowanego SiC i sproszkowanego krzemu, do których dodaje się metylocelulozę jako spoiwo organiczne - oraz środek powierzchniowo czynny i wodę. Po wypaleniu kształtka poddawana jest obróbce cieplnej, a następnie nanoszony jest katalizator.

Z patentu amerykańskiego US 5283019 A znany jest sposób otrzymywania porowatego węglika krzemu, otrzymywanego na drodze formowania mieszaniny zawierającej węglik krzemu i organopolisiloksan. Następnie uformowane kształtki spieka się w atmosferze inertnej.

Ponadto z amerykańskiego opisu patentowego US 7524450 B2 znany jest sposób otrzymywania kształtek o strukturze plastra miodu na bazie proszku węglika krzemu i proszku krzemu z dodatkiem skrobi jako czynnika porotwórczego oraz z dodatkiem metylocelulozy jako lepiszcza.

Sposób otrzymywania porowatego kompozytu typu SiC/{C/SiC}/SiC, według wynalazku, polega na tym, że kompozyt C/SiC, zawierający nanoproszkowy węglik krzemu SiC i wolny węgiel C, poddaje się mieszaniu z polimerem krzemoorganicznym o średniej masie cząsteczkowej rzędu od 800 do 10 000, w obecności rozpuszczalnika organicznego, przy czym zawartość węgla w kompozycie C/SiC wynosi do 50% wagowych, a ilość polimeru krzemoorganicznego w mieszaninie z kompozytem C/SiC wynosi 5-80% wagowych. Po homogenizacji z mieszaniny częściowo odparowuje się rozpuszczalnik organiczny, a z uzyskanej masy formuje się drogą prasowania kształtki o pożądanych kształtach. Następnie wytworzone kształtki poddaje się suszeniu, po czym poddaje się je kondycjonowaniu w atmosferze powietrza lub tlenu w temperaturze od 50°C do 300°C, w czasie od 10 minut do 10 godzin. Z kolei kształtki z usieciowanym polimerem krzemoorganicznym poddaje się wygrzewaniu w atmosferze gazu inertnego w zakresie temperatur od 500 do 1700°C z szybkością ogrzewania od 0,5 do 30°C/min, po czym poddaje się je wygrzewaniu w wybranej temperaturze końcowej przez okres od 0,5 do 10 godzin. Uzyskany produkt chłodzi się wraz z piecem do temperatury otoczenia albo przemieszcza się do kolejnych stref o coraz niższych temperaturach, otrzymując mezoporowaty hierarchiczny kompozyt typu SiC/{C/SiC}, w którym cząstki wyjściowego kompozytu C/SiC otoczone są warstewką wtórnego węglika krzemu SiC oraz nadmiarowego węgla, który nie jest pokryty warstewką SiC. W celu usunięcia nadmiarowego węgla produkt poddaje się kontrolowanemu utlenianiu w atmosferze gazu utleniającego w temperaturze od 400 do 1000°C w czasie od 30 minut do 10 godzin albo kontrolowanemu nakrzemowaniu przy użyciu SiO w atmosferze gazu obojętnego lub w próżni w temperaturze od 1000 do 1600°C przez okres od 30 minut do 10 godzin otrzymując mezoporowaty hierarchiczny kompozyt typu SiC/{C/SiC}/SiC, w którym cząstki wyjściowego kompozytu SiC/{C/SiC} otoczone są warstewką wtórnego SiC.

Korzystnie jako polimer krzemoorganiczny stosuje się polimer karbosilanowy.

Korzystnie jako rozpuszczalnik organicznego stosuje się toluen.

Kompozyt typu SiC/{C/SiC}/SiC ma cząstki wyjściowego kompozytu SiC/{C/SiC}, które otoczone są warstewką wtórnego SiC, powstałego w wyniku nakrzemowania wolnego węgla zawartego w kompozycie monotlenkiem krzemu SiO.

P r z y k ł a d

Otrzymano proszek kompozytowy C/SiC dwustopniową metodą aerozolową ujawnioną w artykule C. Czosnek, J.F. Janik, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, vol. 8, rok 2008, str. 907-913.

PL 231 705 B1

W metodzie tej stosowano, zawierający w swej strukturze tlen, prekursor krzemoorganiczny w postaci czystego heksametylodisiloksanu. W pierwszym etapie syntezy wytworzoną w ultradźwiękowym generatorze mgłę prekursora przetransportowano w strumieniu argonu do ogrzanego do temperatury 1200°C ceramicznego reaktora rurowego, w którym przeprowadzono termiczny rozkład prekursora, uzyskując surowy proszek. W drugim etapie proszek ten poddawano pirolizie w temperaturze 1650°C w atmosferze argonu, przez okres 1 godziny, co spowodowało dokończenie przemian termochemicznych i wytworzenie proszku kompozytowego C/SiC, zawierającego 12,5% wagowych wolnego węgla C i 87,5% węglika krzemu SiC. Do 5 gramów tego proszku dodano 0,88 grama, czyli 15% wagowych polikarbometylosilanu o średniej masie cząsteczkowej około 2000 i całość wymieszano w obecności 20 ml toluenu. Uzyskaną ciemno-szarą masę poddano podsuszaniu w urządzeniu wyposażonym w układ do odzyskiwania toluenu. Z prawie wysuszonej masy uformowano kształtki na drodze prasowania, które wysuszono w temperaturze 150°C, a następnie kondycjonowano w atmosferze powietrza w temperaturze 220°C przez okres 30 minut. W kolejnym etapie kształtki ogrzewano z szybkością 5°C/min do temperatury 1300°C, a następnie wygrzewano je w tej temperaturze przez 3 godziny w atmosferze argonu, po czym chłodzono wraz z piecem, otrzymując mezoporowaty hierarchiczny kompozyt typu SiC/{C/SiC}, w którym cząstki wyjściowego kompozytu C/SiC otoczone są warstewką wtórnego węglika krzemu SiC oraz nadmiarowego węgla, który nie jest pokryty warstewką SiC. Otrzymane kształtki umieszczono w jednej części ceramicznego tygla o kształcie łódeczki, a w drugiej jego części umieszczono sproszkowaną mieszaninę krzemu metalicznego i krzemionki, wymieszane w stosunku wagowym Si do SiO2 jak 1 : 2,2. Do nakrzemowania kształtek o masie 3 gramów zastosowano nadmiar mieszaniny Si + SiO2 w ilości 8 gramów. Substraty umieszczono w sposób uniemożliwiający wzajemny kontakt, a tygiel przykryto pokrywką z otworami i umieszczono w komorze pieca, z którego po odpompowaniu powietrza wprowadzono argon i ogrzano do temperatury 1450°C, w której utrzymywano kształtkę przez 3 godziny. Następnie schłodzono ją wraz z piecem do temperatury otoczenia uzyskując kompozyt o hierarchicznej budowie typu SiC/{C/SiC}/SiC.

Zastrzeżenia patentowe

Claims (3)

1. Sposób otrzymywania porowatego kompozytu na bazie węglika krzemu, obejmującego formowanie z mieszaniny surowców zawierających węglik krzemu kształtki o pożądanym kształcie, które poddaje się obróbce cieplnej, znamienny tym, że miesza się kompozyt C/SiC, zawierający nanoproszkowy węglik krzemu SiC i wolny węgiel C z polimerem krzemoorganicznym o średniej masie cząsteczkowej rzędu od 800 do 10 000, w obecności rozpuszczalnika organicznego, przy czym zawartość węgla w kompozycie C/SiC wynosi do 50% wagowych, a ilość polimeru krzemoorganicznego w mieszaninie z kompozytem C/SiC wynosi 5-80% wagowych, a po homogenizacji z mieszaniny częściowo odparowuje się rozpuszczalnik organiczny i z tak przygotowanej masy formuje się kształtki, które poddaje się suszeniu i kondycjonowaniu w atmosferze powietrza lub tlenu w temperaturze od 50°C do 300°C, w czasie od 10 minut do 10 godzin, po czym kształtki z usieciowanym polimerem krzemoorganicznym poddaje się wygrzewaniu w atmosferze gazu inertnego w zakresie temperatur od 500 do 1700°C z szybkością ogrzewania od 0,5 do 30°C/min, a następnie poddaje się je wygrzewaniu w wybranej temperaturze końcowej przez okres od 0,5 do 10 godzin, a uzyskany produkt chłodzi się wraz z piecem do temperatury otoczenia albo przemieszcza się do kolejnych stref o coraz niższych temperaturach, otrzymując mezoporowaty hierarchiczny kompozyt typu SiC/{C/SiC}, w którym cząstki wyjściowego kompozytu C/SiC otoczone są warstewką wtórnego węglika krzemu SiC oraz nadmiarowego węgla, który nie jest pokryty warstewką SiC, który następnie poddaje się kontrolowanemu utlenianiu w atmosferze gazu utleniającego w temperaturze od 400 do 1000°C w czasie od 30 minut do 10 godzin albo kontrolowanemu nakrzemowaniu przy użyciu SiO w atmosferze gazu obojętnego lub w próżni w temperaturze od 1000 do 1600°C przez okres od 30 minut do 10 godzin, otrzymując mezoporowaty hierarchiczny kompozyt typu SiC/{C/SiC}/SiC, w którym cząstki kompozytu SiC/{C/SiC} otoczone są warstewką SiC.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako polimer krzemoorganiczny stosuje się polimer karbosilanowy.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako rozpuszczalnik organiczny stosuje się toluen.