SI22211A - Postopek hidrofobiziranja keramiäśnega prahu z nanosom organske prevleke v vodni suspenziji - Google Patents

Abstract

Predmet izuma je postopek hidrofobiziranja keramičnega prahu z nanosom tanke organske prevleke na delce keramičnega prahu v vodni suspenziji, namenjeni brizganju v kalupe. V postopku hidrofobiziranja keramičnega prahu z nanosom organske prevleke v vodni suspenziji se pripravi vodno suspenzijo keramičnega prahu, v katero se doda od 0,1 do 2 ut.% soli karboksilne kisline. Nato se suspenzijo homogenizira, nato pa med mešanjem odpari tekočino. Posušen prah se segreva pri temperaturi nad 90 stopinj Celzija najmanj 10 minut. Hidrofobiziranjekeramičnega prahu omogoča pripravo prahu, ki sene navlaži v vlažnem okolju, pripravo parafinskih suspenzij keramičnega prahu z višjo vsebnostjo prahu, ki imajo nizko viskoznost, na katero ne vpliva prisotnost vlage v okolju.

Description

Postopek hidrofobiziranja keramičnega prahu z nanosom organske prevleke v vodni suspenziji

Predmet izuma je postopek hidrofobiziranja keramičnega prahu z nanosom tanke organske prevleke na delce keramičnega prahu v vodni suspenziji, namenjeni pripravi termoplastične suspenzije za brizganje v kalupe.

Tehnični problem, ki ga rešuje izum, je negativen vpliv vode na vedenje hidrofilnega keramičnega prahu in posledično na reološke lastnosti termoplastičnih suspenzij keramičnega prahu, še posebno v primeru, ko se tako suspenzijo uporablja pri oblikovanju keramičnih izdelkov z brizganjem parafinskih suspenzij. Voda, ki je adsorbirana na površini delcev prahu (vlažen prah) ali je naključno vnešena v keramično suspenzijo hidrofilnega prahu v termoplastičnem vezivu z dodatkom površinsko aktivnih snovi (dispergantov), lahko namreč povzroči odcepitev na delce šibko vezane (adsorbirane) površinsko aktivne snovi in s tem zmanjšanje ali izničenje njenega učinka. Dodatek površinsko aktivnih snovi suspenziji zagotavlja primemo tečljivost, ki omogoča pravilno zapolnjevanje kalupa pri brizganju. Kot površinsko aktivne snovi se uporabljajo nepolame organske snovi in sicer ponavadi karboksilne kisline (stearinska, oleinska), alkilamini (oktadecilamin), čebelji vosek, silani ipd. Če se učinek površinsko aktivne snovi zaradi prisotne vode zmanjša ali izniči, se suspenziji lahko močno poslabša tečljivost (viskoznost), kar onemogoča brizganje.

Negativni vpliv vode na vedenje keramičnega prahu in suspenzije prahu v vezivu je v veliki meri povezan z njegovo hidrofilno ali celo higroskopno (privlači vodo) naravo, zato je ena izmed najprimernejših metod izboljšanja sprememba lastnosti prahu iz hidrofilne v hidrofobno (odbija vodo), tj. s hidrofobiziranjem. Delci keramičnega prahu postanejo hidrofobni, če jih prevlečemo s tanko plastjo površinsko aktivne snovi z nepolamo verigo, ki odbija vodo in je trdno kemijsko vezana na površino delcev.

Cilj izuma je torej modificiranje, konkretno hidrofobiziranje, po naravi hidrofilnega keramičnega prahu z nanašanjem površinsko aktivne organske prevleke v vodni suspenziji in s kemijsko vezavo te prevleke na način, ki zagotavlja, da je prisotna voda ne bo izpodrinila s površine. Postopek po izumu mora zagotavljati ugodne delovne razmere, ekonomičnost in tehnološko izvedljivost postopka.

Pri splošno znanem, običajnem postopku priprave suspenzije za brizganje keramičnih izdelkov, se keramični prah najprej homogenizira v vodni suspenziji, nato pa s segrevanjem posuši do čim nižje vsebnosti vlage. Posušen keramični prah se vmeša v staljeno termoplastično vezivo, ki vsebuje raztopljeno površinsko aktivno snov, običajno karboksilne kisline, njihove soli ali silane. Ta se adsorbira (šibko veže na površino delcev), kar ugodno vpliva na reološke lastnosti, to je viskoznost suspenzije. Slabost takega postopka je, da voda, ki je prisotna v okolici, lahko izpodrine šibko vezano površinsko aktivno snov in na ta način zmanjša ali izniči njen učinek. Posledica je, da viskoznost suspenzije močno naraste, tečljivost in s tem sposobnost polnjenja kalupov se torej močno ali celo kritično zmanjša. Omenjeni negativni vpliv vode je mogoče odpraviti ali vsaj zmanjšati s kontroliranjem vlage v prostoru, kjer se pripravlja termoplastična suspenzija in brizgajo izdelki. Tak način je v industrijski proizvodnji tehnično relativno zahteven, predvsem pa nezanesljiv in neekonomičen, saj prvi del tehnološkega postopka, tj. homogenizacija, poteka v vodni suspenziji, v nadaljevanju pa je potrebno vodo popolnoma odstraniti in po vmešanju keramičnega prahu v termoplastično vezivo ne sme biti prisotna v okolici.

Znanih je več postopkov hidrofobiziranja keramičnega prahu, s čimer preprečimo vodi dostop do površine keramičnih delcev. Postopek hidrofobiziranja s karboksilnimi kislinami, npr. s stearinsko ali oleinsko kislino, pri katerem karboksilno kislino najprej nanesemo na površino delcev prahu, nato pa s segrevanjem suhega prahu pri temperaturi nad 100 °C povzročimo eliminacijo molekule vode in s tem tvorbo kemijske vezi med karboksilno kislino in površino delca, je bil večkrat opisan v strokovni literaturi in v patentih. Možna sta dva glavna načina nanašanja karboksilnih kislin na delce prahu. Pri prvem načinu, opisanem v patentih CN 1180079 in US 6156430, prah homogeniziramo v raztopini karboksilne kisline v organskem topilu, npr. acetonu, heksanu, trimetil benzenu itd., nato odstranimo tekočo fazo ter segrevamo suh prah pri temperaturi nad 100 °C. Glavna pomanjkljivost tega postopka je v tem, daje zaradi tehnološke zahtevnosti dela z organskimi topili manj primeren za industrijsko proizvodnjo. Problem opisanega postopka je do neke mere rešen s tem, da se prevlečenje prahu izvede brez uporabe organskih topil in sicer z intenzivnim suhim mešanjem prahu in karboksilne kisline. To je t.i. drugi način nanašanja karboksilnih kislin. Postopek je opisan v dokumentu avtogev Novak, Veskovič: Hidrofobiziranje prahu za nizkotlačno brizganje keramike na osnovi AI2O3,

Ljubljana: Institut Jožef Stefan, 2000. Pri tem se dodana karboksilna kislina nanese na površino delcev, prah pa se zaradi trenja med delci samodejno segreje nad 100 °C, kar omogoči kemijsko vezavo na površino. Ta postopek sicer odpravi problem uporabe organskih topil in je pri manjših količinah prahu, npr. 50 kg, zelo uspešen, vendar pa je tehnološko zahteven zlasti v primeru industrijske proizvodnje večjih količin prevlečenega prahu in nezanesljiv glede enakomernosti nanosa površinsko aktivne snovi na prah.

Nadalje je znan tudi postopek prevlečenja keramičnega prahu s silani ali siloksani, pri katerem prah homogeniziramo v raztopini površinsko aktivnih snovi v organskih topilih, po odstranitvi tekočine pa prah, podobno kot pri hidrofobiziranju prahu s karboksilnimi kislinami, segrevamo pri temperaturi nad 100 °C in ustvarimo tanko plast organskih molekul na površini delcev prahu. Postopek je opisan v dokumentih:

Vieth, S., Uhlmann, M., et al., (2003). Effect of surface silanisation on the dry pressing behaviour of Silicon nitride powder. Journal of the European Ceramic Society, 23, 19972004

Kobe, S., Novak, S., et al., Korozijska zaščita prahov na osnovi intermetalnih zlitin redkih zemelj in elementov prehoda za izdelavo trajnih magnetov, patent SI 20028 Konya,Y., et al., Hydrophobic silica fine powder and its manufacture, patent EP 1316589

Postopek je uporaben tudi za zaščito občutljivih kovinskih prahov pred oksidacijo in je opisan v patentu SI 20028 (Kobe, Novak, Škulj). V splošnem postopek sicer zagotavlja enakomerno porazdelitev silana oz. siloksana po celotni površini delcev, vendar je za hidrofobiziranje keramičnih prahov zaradi uporabe organskih topil manj primeren.

Glavna pomanjkljivost zgoraj opisanih postopkov hidrofobiziranja keramičnih prahov je torej zahtevnost tehnološkega postopka v industrijski proizvodnji, saj je pri večini postopkov potrebno delo z vnetljivimi ali zdravju škodljivimi organskimi topili. Za razliko od teh poteka v predlaganem postopku nanašanje površinsko aktivne snovi na površino prahu v vodi, kar bistveno prispeva k izboljšanju delovnih razmer, ekonomičnosti in tehnološki izvedljivosti postopka.

Po izumu je problem rešen tako, da se sol karboksilne kisline homogeno vmeša v vodno suspenzijo keramičnega prahu, nato se voda odpari, prah pa segreje do temperature, ki omogoča reakcijo eliminacije molekule vode in tvorbe kemijske vezi med karboksilno skupino nepolame površinsko aktivne snovi in aktivno skupino na površini delcev keramičnega prahu, tj. nad 90 °C. Prevlečen prah odbija vodo, postane torej hidrofoben. S tem se odpravi problem navlaženja prahu v vlažnem okolju, izboljša homogenost parafinske suspenzije keramičnega prahu, skrajša čas homogeniziranja in zmanjša oziroma odpravi vpliv prisotne vlage v okolju na vedenje suspenzije, s tem pa se znatno izboljša stabilnost proizvodnje brizganih keramičnih izdelkov.

Izum bomo v nadaljnem podrobno opisali na osnovi izvedbenih primerov postopka po izumu za hidrofobiziranje keramičnega prahu s površinsko aktivno snovjo, ki je v tem primeru sol karboksilne kisline.

Postopek po izumu za hidrofobiziranje keramičnega prahu s površinsko aktivno snovjo obsega naslednje korake. Pripravi se suspenzijo prahu keramičnega prahu v vodi, ki se ji doda 0,01-20 ut.% amonijeve ali magnezijeve ali kalcijeve ali litijeve soli karboksilne kisline, npr. stearinske ali oleinske kisline. Suspenzijo se homogenizira, nato se vodo odpari, med odparevanjem se suspenzijo meša. Posušen prah se segreva pri temperaturi nad 90 °C vsaj 10 minut. Tako pripravljen prah plava na vodi in se lahko uporablja za pripravo visoko koncentriranih parafinskih suspenzij, ki v prisotnosti vode ohranijo stabilnost in nizko viskoznost.

Izvedbeni primer 1:

Suspenzija se pripravi s homogeniziranjem 500 g mešanice keramičnih prahov, 500 g deionizirane vode ter 5 g suhega magnezijevega stearata. Po 12-umem homogeniziranju se suspenzijo posuši s segrevanjem pri 150 °C, med sušenjem se suspenzijo počasi meša z mešalom. Posušen prah se segreva pri 110 °C 4 ure, nato se samodejno ohladi.

Izvedbeni primer 2:

V 500 g deionizirane vode se doda raztopina amoniaka do pH-vrednosti 10. Nato se homogeno vmeša 16 g raztopine amonijevega stearata in 400 g aluminijevega oksida s srednjo vrednostjo velikosti delcev 2 mikrometra. Po 12-umem homogeniziranju se suspenzijo posuši s segrevanjem pri 150 °C, med sušenjem se suspenzijo občasno zmeša. Posušen prah se segreva pri 110 °C 1 uro, nato se samodejno ohladi.

Izvedbeni primer 3:

V 500 kg deionizirane vode se homogeno vmeša 1,6 kg amonijevega stearata in 500 kg aluminijevega oksida s srednjo vrednostjo velikosti delcev 2 mikrometra. Po 24-umem homogeniziranju se suspenzijo posuši s segrevanjem pri 200 °C, med sušenjem se suspenzijo počasi meša z mešalom. Posušen prah se segreva pri 140 °C 4 ure, nato se samodejno ohladi.

Izvedbeni primer 4:

V 500 g deionizirane vode se doda raztopina amoniaka do pH-vrednosti 10. Nato se homogeno vmeša 5 g amonijevega oleata in 500 g aluminijevega oksida s srednjo vrednostjo velikosti delcev 2 mikrometra. Po 12-urnem homogeniziranju se suspenzijo posuši s segrevanjem pri 150 °C, med sušenjem se suspenzijo počasi meša z mešalom. Posušen prah se segreva pri 110 °C 4 ure, nato se samodejno ohladi.

S predlaganim izumom so dosežene naslednje prednosti. Po naravi higroskopen keramični prah postane po hidrofobiziranju neobčutljiv na prisotnost vode, zaradi česar ga je lažje vmešati v staljeno termoplastično vezivo. Prevlečen prah se bolj enakomerno porazdeli v vezivu, posledično se zagotovi visoka vsebnost suhe snovi v suspenzijah, s čimer se zadosti zahtevi po majhnem in ponovljivem krčenju brizganih oblikovancev med termično obdelavo in po doseganju zahtevanih dimenzijskih toleranc. Sočasno se zagotovi tudi primemo nizko viskoznost parafinske suspenzije prahu, ki se s časom ne spreminja ne glede na količino vode v okolju. Posledično se poveča stabilnost in ekonomičnost proizvodnje brizgane keramike.

Claims (1)

1. Patentni zahtevek

   1. Postopek hidrofobiziranja keramičnega prahu z nanašanjem organske prevleke v vodni suspenziji in z naknadno kemijsko vezavo na površino prahu, označen s tem, da se kot površinsko aktivno snov uporabi sol karboksilne kisline, pri čemer se od 0,01 do 20 ut. % soli karboksilne kisline homogeno vmeša v vodno suspenzijo keramičnega prahu, da se iz suspenzije po homogeniziranju odpari tekočino in da se prah po sušenju suspenzije segreva pri temperaturi od 90 do 250 °C najmanj deset minut.