Влияние твердой (дисперсной) и жидкой (дисперсионной) фаз на реологические и формовочные свойства катализаторных паст Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 66.047

О.О. Шибков, ВВ. Костюченко, АН. Пирогова.

Российский химико-технологический университет им Д.И. Менделеева, Москва, Россия

ВЛИЯНИЕ ТВЕРДОЙ (ДИСПЕРСНОЙ) И ЖИДКОЙ (ДИСПЕРСИОННОЙ) ФАЗ НА РЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ФОРМОВОЧНЫЕ СВОЙСТВА КАТАЛИЗАТОРНЫХ ПАСТ

Исследовано влияние факторов, определяющих приготовление катализаторных паст и регулирующих их формовочные и реологические свойства. Такими факторами являются количественные и качественные характеристики твердой (дисперсной) и жидкой (дисперсионной) фаз.

Исследования доказали, что нельзя однозначно ранжировать влияние дисперсности на формовочные свойства и показатели механической прочности. Для комплексной оценки и регулирования реологических и формовочных свойств катализаторных паст необходимо проводить комплексное исследование, используя различные методики.

Известно, что наиболее важными факторами для приготовления катализаторных паст и регулирования их формовочных и реологических свойств являются количественные и качественные характеристики твердой (дисперсной) и жидкой (дисперсионной) фаз. Свойства дисперсионной фазы определяются типом и качеством носителя катализатора. В данной работе использовали два вида аморфного кремнезема с различными характеристиками - природный материал диатомит и синтетический белая сажа.

Таблица 1. Характеристики кремнеземных носителей.

Тип носителя Б^д м2/г Содержание мин. примесей, % Размер частиц, мкм

Диатомит 15-20 2-3 А120З 0,5 Fе20з 1-10

Белая сажа БС-120 100-200 0,1-0,5 А120З 10-2

Анализ данных этой таблицы показывает существенное различие дисперсности носителей. Из химической технологии керамики известен факт выраженного влияния дисперсности твердой фазы на реологические и формовочные свойства, поэтому в данной работе исследованы свойства носителей с сильно различающейся дисперсностью.

Вторым фактором, влияющим на реологические и формовочные свойства, являются количественные и качественные характеристики дисперсионной среды. В качестве дисперсионной среды нами использованы водные растворы различных по химической природе и структурообразующей способности две временные технологические связки:

• Водный раствор СПАВ ОП-7 (смесь полиэтиленгликолевых эфиров и моно - и диал-килфенилов)

• Водорастворимый полимер полиэтиленоксид

В эксперименте исследованы образцы паст на указанных выше носителях и ВТС. В ходе эксперимента определили комплекс реологических и формовочных показателей паст, а также характеристик готового продукта. Первоначально определялись значения оптимальной формовочной влажности, получаемые с использованием пла-стометра Ребиндера [1]. Результаты исследований представлены в табл.2, и проиллюстрированы графическими зависимостями на рис.2.

Однако исследования на пластометре не дают возможности достаточно оценить реологические свойства образцов. В этой связи исследованы деформационные характеристики образцов по методике А.. Д. Толстого [2]. В результате получены полные рео-

логические кривые деформации образцов кривые ползучести. Результаты исследований представлены в табл.3, и на рис.3

Таблица 2. Значения оптимальной влажности по результатам исследований на пластометре

Ребиндера.

образец СВД (ОП-7) СВД (ПЭО) СВБ (ОП-7) СВБ (ПЭО)

Wопт,% 30 .1 30 .3 34 .5 38 .0

С

I

1ЛЛ, -К,

£з

\ 2)

/ 4 « / 5 \ / 2 \

7 ° ' \

\

7 1 5 \— — - " -

7 3 2 \

7 °

£2

СВБ (ОП-7) №=34.5% СВБ (ПЭО) №=38.0%

СВД (ОП-7) СВД=30.1 % СВД (ПЭО) №=30.3%

Рис. 1, 2, 3. Результаты экспериментов (пояснения в тексте)

Для определения коэффициента формуемости выбранных образцов был использован метод «Штамп обратного сечения»[1], данный метод является относительно новым и более информативным, с его помощью определили коэффициенты формуемости катализаторных паст. Результаты представлены в табл.4.

Однако полученных данных недостаточно для комплексной оценки, прогнозирования и регулирования формовочных свойств реальных катализаторных паст. С этой целью были проведены исследования на пилотном экструдере с компьютерной регистрацией параметров процесса (усилие на фильеру, количество оборотов, электрические характеристики: ток в электроприводе и напряжение). Результаты экструзиометрии представлены на рис.4. Формования паст производили в одном режиме на одной стальной фильере, имеющей 9 мундштуков с отверстиями диаметром 6 мм.

Для оценки формовочных свойств катализаторных паст, целесообразно рассматривать данные экструзиометрии совместно с показателями качества и производительностью целевого продукта, представленными в табл.5.

Таблица 3. Определение структурно-механических свойств формовочных масс на пластометре с параллельно-смещающейся пластиной по методу А.Д. Толстого

образец W Ei Е2, П Рк, е, Пл*10 81% 82% 83% Тип по

опт МПа МПа ГПа*с кПа с , 1/с С.П.Ни

% чипо-ренко

СВД 30.1 11.7 9.0 0.56 18 3.13 887 1.67 41 56 3 1

(ОП-7)

СВД 30.3 2.6 3.1 0.46 23 4.20 4045 1.79 57 37 6 1

(ПЭО)

СВБ 34.5 1.0 6.6 0.14 4 2.14 466 6.02 67 13 2 3

(ОП-7)

СВБ 38.0 2.7 2.4 0.54 1 1.46 202 9.43 31 26 43 4

(ПЭО)

Таблица 4. Определение коэффициента формуемости по методу «Штамп обратного сечения».

образец W,% Рс, кПа Ps, кПа P кПа Рф, кПа L ctga Яф

СВД(ОП-7) 30.1 38 230 115 90 .5 0.93 116.7 0.08

СВД (ПЭО) 30 .3 36 234 108 96 .0 1.54 113.0 0.07

СВБ(ОП-7) 34 .5 39 260 121 97 .0 4.28 127.6 0.85

СВБ(ПЭО) 38 .0 38 269 117 98 .3 4.73 124.5 0.64

Таблица 5. Показатели производительности и качества экструдатов.

образец Производительность экструдера, V см3/мин Коэффициент технологичности, Кт-Ур/Ут (Ут=25см3/мин) Активность х, % Объем пор, У0 см3/г Разрушающее усилие, g кгс

420°С 485°С

СВД(ОП-7) 41 0.20 19 86 0.47 12 .7

СВД(ПЭО) 44 0.21 19 87 0.49 12 .2

СВБ (ОП-7) 35 0.17 30 85 0.39 9. 8

СВБ (ПЭО) 37 0.18 31 86 0.40 10 .3

Определяющим в ряде факторов следует считать фактор дисперсности материалов. По результатам исследования образцов по методике Ребиндера видно, что формовочная влажность более дисперсного образца СВБ -25% выше, чем СВД. Очевидно, что дисперсность определяет оптимальную формовочную влажность ,которая, в свою очередь, влияет на реологические показатели, это видно по уравнению Максвелла-Шведова-Кельвина и по полученным диаграммам С.П. Ничипоренко. Данные прогнозирования формовочных свойств по методике А.Д. Толстого и «Штамп обратного сечения» противоречат друг другу. По критерию соотношения деформаций, результаты для образца СВБ с ПЭО близко к оптимальному. В то же время СВД с ПЭО относится к

1му типу по Н.И. Ничипоренко. В данном случае нельзя сделать однозначного вывода о превалировании какого-либо из факторов тип треугольника или равномерность распределения деформаций. По результатам относительного нового метода «Штамп обратного сечения» значения коэффициентов формуемости образцов: СВД-0.1, СВБ-0.6-0.9, т.е. более можно прогнозировать более качественную формовку образца СВД. Данная методика более информативна в сравнении с методикой А.Д. Толстого, т.к. условия деформации исследуемых образцов в большей степени соответствуют условиям его деформации в шнековом экструдере. Данная методика позволяет оценить напряжение сжатия, среза и коэффициент дислокаций. По данным экструзиометрии наибольшее различие у исследованных образцов наблюдались в показаниях давления прессования. Для образования СВД в сравнении с СВБ с одинаковыми ВТС это различие достигало 30-50 %. Из данных экструзиометрии можно оценить энергию, затрачиваемую на процесс формования N=1*17, а также значение момента скорости вращения шнека М=Г(и), которое может характеризовать вязкость пасты п=?(М).

Анализ данных по производительности процесса формовки и его коэффициента технологичности, а также показатели качества готовых образцов целевого продукта показывает, что при прочих равных условиях катализаторы СВД обладают повышенными значениями коэффициента технологичности (>10%). Кроме того, формовочные свойства образцов следует оценивать по важному показателю механической прочности или разрушающему усилию экстензометра. По этим показателям образцы СВД на 10-20% обладают большими значениями, т.к. значения механической прочности зависят от степени «дефектности» процесса формования. С точки зрения дисперсности число контактов элементарных частиц СВБ должно быть больше, чем у СВД, следовательно, больше и механическая прочность. Однако на механическую прочность влияет и влажность, поэтому по значению разрушающего усилия затруднительно оценить влияние дисперсности исходного материала. В общем случае на значение механической прочности влияет как дисперсность, влажность, так и степень дефектности готового экстру-дата (внутренние напряжения, трещиноватость, разрывы сплошности и пр.) По результатам исследований видно, что наилучшими формовочными данными обладает образец СВД. Из табл.5, видно, что при прочих равных условиях применение водорастворимого полимера ПЭО в качестве ВТС более эффективно в сравнении с ПАВ ОП-7. Образцы паст с ПЭО обладают большим коэффициентом технологичности и лучшими показателями качества.

Эффективными факторами в регулировании реологических показателей и прогнозировании по ним формовочных свойств катализаторных паст являются показатель дисперсности применяемого носителя, а также тип и природа ВТС. Очевидно, что дисперсность определяет оптимальную формовочную влажность ,которая, в свою очередь, влияет на реологические показатели по уравнению Максвелла-Шведова-Кельвина и по полученным диаграммам С.П. Ничипоренко. Данные прогнозирования формовочных свойств по методике А.Д. Толстого и «Штамп обратного сечения» противоречат друг другу.

Т.о. нельзя однозначно ранжировать влияние дисперсности на формовочные свойства и показатели механической прочности. Для комплексной оценки и регулирования реологических и формовочных свойств катализаторных паст необходимо проводить комплексное исследование, используя различные методики.

Список литературы

1. Фадеева, В.С. Формуемость пластичных дисперсных масс /В.С..Фадеева.- М.: Гос-стройиздат, 1961. - 126с.

2. Ничипоренко, С.П. Методы исследования структурно - механических свойств керамических масс/С.П.Ничипоренко, Л.Б.Шабашкевич//Колл. журнал, т. 21, №6, 1960.-С14-17