Пористые материалы, имеющие сквозные поровые каналы и способные пропускать через эти каналы жидкие и газообразные вещества при создании некоторого градиента (перепада) давлений, используются в фильтровальных устройствах для очистки разнообразных жидкостей и газов от механических примесей (смесителях, диспергаторах и др.).
К ним относятся материалы из порошков металлов, керамики, полимеров, тканые и вязаные металлические сетки, ткани из искусственных и натуральных волокон, войлок из неметаллических волокон и другие.
Важной особенностью порошковых материалов является возможность создания разнообразных, заранее проектируемых структур пор, от чего зависит работоспособность и области, применения этих материалов. Пористые материалы имеют ряд полезных характеристик:
- Они являются устойчивыми против коррозии, что позволяет использовать из в химически агрессивных средах.
- Могут работать в широком диапазоне температур (в зависимости от рода материала).
Благодаря чему получили применение в качестве теплоизоляторов.
- Способны пропускать через поровые каналы жидкие и газообразные вещества при создании некоторого градиента (перепада) давлений, а так же допускают многократную регенерацию, в следствии чего используются в качестве фильтров,
- Легко подвергаются механической обработке и сварке, что облегчает технологию изготовления готовой продукции.
- Обладают высокой тепло- и электропроводностью.
- Высокие демпфирующие характеристики, из за чего пористые материалы нашли широкое применение в строительстве.
Основные параметры пористого тела
1) Пористость: это отношение объема пор к полному объему физического тела. П= V n / V, где Vn — суммарный оьъём пор. Она может быть открытой, сообщающейся с внешними пространством, и закрытой, изолированной. Пористость является интегральной характеристикой пористого тела.
Пористость так же можно определить заполнив внтренние пустоты материала жидкостью, тогда П= (m н — m)/(рж V), где mн — масса насыщенного жидкостью материала, а рж — плотность жидкости.
Поры в материалах разделяют на три вида
а) открытые (пористость ПО ):открытая пора сообщается с поверхностями пористого тела и участвует в фильтрации жидкости или газа при наличии градиента давления на пористом теле,
Тупиковые
в) Закрытые (пористость ПЗ ): Закрытая пора не сообщается с поверхностью пористого тела и не участвует в фильтрации жидкости или газа.
Строительные материалы (2)
... составу, особым свойствам, назначению и области применения. Строительные материалы могут быть природные -- естественные (лесные, каменные плотные, пористые, рыхлые, горные породы, гравий, песок, глина и ... свойства материала характеризуют его строение или отношение к физическим процессам окружающей среды. физическим свойствам относят массу, истинную и среднюю плотность, пористость водопоглащение, ...
Общая пористость тела слагается из этих трех видов пористости:
П =П О + ПЗ + ПТ . Закрытая пора не сообщается с поверхностью пористого тела и не участвует в фильтрации жидкости или газа. Закрытые и тупиковые поры образуются в результате пластической деформации частиц порошка при высоких давлениях прессования, а также из-за наличия внутренней пористости частиц.
2) Коэффициент размера пор (распределение пор по размерам):
На горизонтальной оси откладываются размер пор, а вертикальная ось указывает количество пор данного размера в процентах.
рис. 1. Зависимость количества пор от их размера
На рисунке 2 изображены Диапазоны значений пористости и размеров пор пористых материалов.
Область 1: размеры пор порошковых материалов.
Область 2: размеры пор Волокнистых материалов.
Область 1: размеры пор ячеистых материалов.
рис. 2. Диапазоны значений пористости d n = мкм
3) Коэффициент извилистости сквозных поровых каналов
У пористых материалов из металлических порошков при пористости 25…38% коэффициент извилистости составляет ~ 2..2,5. Геометрическая форма поровых каналов сложная и изменяется в зависимости от условий формирования пористого материала и достигаемой пористости тела.
4) Просвет:
5) Механические свойства:
Предел прочности у b при растяжении тел с пористой структурой может быть определён по формуле Е. Рышкевича:
у b = у0 *exp(-bП)
где у 0 — предел прочности беспористого материала. П- пористость.
b -константа.
Для пористых листов с П=10…45% из порошков никеля сплава Х20Н80 и титана b соответственно равна 5; 6,5; 7. Численное значение b растёт с уменьшением пластичности и является интегральным показателем хрупкости материалов с пористой структурой.
Методы исследования структуры пористого тела
1) Макро и микроскопия шлифа
а) Извилистость пористого тела из геометрических соображений (для пористых структур с относительно несложным строением порового пространства).
пористый материал неметаллический изделие
б) Просвет пористого тела. Этот метод часто используют и для определения пористости материалов с анизотропной структурой, так как именно у таких материалов просвет может не совпадать с пористостью.
2) Амперометрический метод исследования.
3) Общий метод изучения структуры
- Достоинство метода в том, что с его помощью можно определить многие характеристики порового пространства (пористость, извилистость, шероховатость и площадь поверхности пор, их распределение по размерам).
- Недостаток метода заключается в его трудоёмкости, а так же в том, что он не отображает закрытые поры.
Модели пористых сред
Математическое описание внутренней поровой структуры пористых сред и материалов проводится с помощью моделей пористых физических тел. Распространены два различных подхода к описанию пористой структуры внутренних паровых каналов физических тел из порошкообразных веществ, оперирующие или с частицами скелета тела (1), или рассматривающие размеры и форму поровых каналов (2).
Порошковые материалы
... но технология его производства несколько иная. Порошковые материалы классифицируются на пористые и компактные. В пористых материалах после окончательной обработки сохраняется до 30% пористости, и такие материалы используются преимущественно для производства фильтров ...
1) Глобулярные модели пористых сред (или модель упрощённых сфер):
При упрощении реальной пористой среды получаемую глобулярную модель называют фиктивной пористой средой. У таких сред величина пористости предопределяется видом упаковки сферических частиц. Максимальную пористость, равную 47,6%, имеет фиктивная среда в случае кубической упаковки шаров. Для наиболее плотной ромбоэдрической упаковки пористость составляет 26%. Величина пористости выражается формулой: П=V пор / (Vзёрен +Vпор ).
В глобулярных моделях пористых тел поровые каналы представляют собой полости между сферическими частицами, сообщающиеся между собой суженными перешейками («бутылкообразные» порошковые каналы).
У таких пористых сред, полученных из сферических частиц одного размера, средний размер пор d можно вычислить по формуле Козени:
где d r ср — средний размер частиц порошка, определенный по следующему выражению:
где — нижний и верхний пределы размера порошка данной фракции.
2) Капиллярная модель: Простейшая модель рассматривающая форму и размеры поровых каналов это модель идеальной пористой структуры.
то модель пористого тела, имеющего прямые параллельные цилиндрические капилляры (трубки), расположенные перпендикулярно одной из поверхностей тела, а=1. Модель идеальной пористой структуры и реальная пористая структура представлены на рисунках 3 и 4 соответственно.
рис. 3. идеальная пористой структуры
рис.4. реальная пористая структура
В этой модели диаметр круглой трубки, которая моделирует пору, считается размером пор. Так как в этом случае d = D, то коэффициент однородности по размеру пор равен единице (Kd = D/d = 1).
Реальные пористые тела имеют извилистые поровые каналы различного размера, пересекающиеся между собой. С учетом этого для приближения предлагаемых моделей к реальным пористым средам разработаны различные модификации исходной капиллярной модели из прямых параллельных цилиндрических капилляров.
Разновидности капиллярных моделей
1. Модель, по которой капилляры представляются как извилистые цилиндрические трубки с некоторым коэффициентом извилистости «а».
2. Модель, по которой пористое тело имеет два типа пор: широкие и узкие. Широкие поры между собой не пересекаются, они могут пересекаться с узкими порами.
3. Модель серийного типа: имеются непересекающиеся поры кругового сечения, каждая из которых состоит из последовательного расположения цилиндрических звеньев. Радиус и длина каждого звена есть случайные величины, распределенные по некоторому закону.
4. Решетчатая модель: имеется пространственная решетка из взаимно пересекающихся пор различных диаметров, расположенных в случайном порядке.
5. Модель ветвящихся пор переменного сечения. Пористая среда представляет систему расположенных случайным образом пересекающихся каналов с непрерывно меняющимся радиусом. Пересечение поровых каналов принято таким образом, что в одной точке могут сходиться не более трех ветвей, т.е. каждый поровой канал может разветвляться на два других канала. Параметрами пористой среды в этой модели являются плотность распределения поровых каналов по радиусам и коэффициент извилистости поровых каналов.
Та или иная модель пористой среды имеет ограниченное применение.
Легкие бетоны и изделия на их основе
... Используют легкобетонные конструкции и изделия в различных областях строительства: 3.1 Бетоны на пористых заполнителях Легкие бетоны на пористых заполнителях получают все большее применение в строительстве благодаря меньшей плотности ... США на свою прочную и практичную чугунную машину со съемным каналом и регулируемыми стенками, которая заложила основу для современной промышленности шлакоблоков. ...
3) Модели пористой структуры материала из волокон
Простейшая модель представляется в виде сочетания пластин из чередующихся разнородных компонентов (материала волокон и воздуха), ориентированных параллельно и перпендикулярно потоку тепла (модель для расчета теплопроводности пористых тел).
Другой разновидностью является модель с взаимопроникающими компонентами, отличительной чертой которых является непрерывная протяженность обоих компонентов: волокон и среды, заполняющей поры (воздуха, жидкостей и.т.д.).
Для пористых теплопроводящих тканых сетчатых материалов предложена модель из набора брусьев и введено допущение, что все волокна расположены в плоскости, перпендикулярной тепловому потоку, и пересекаются под прямыми углами.
Классификации пористых материалов
1) Классификация традиционная (по рекомендации ИЮПАК)
По этой классификации все пористые материалы разделяются на группы по размерам пор.
Происхождение этой классификации в основном обязано выделению области пор, в которых происходит (и может быть измерена) капиллярная конденсация, вследствие которой на изотермах наблюдается характерный гистерезис. Эта область названа мезопорами
а) Микропоры. Размеры < 2нм.
б) Мезопоры. Размеры от 2 до 50 нм (Есть капиллярная конденсация).
в) Макропоры. Размеры > 50.
2) Классификация материалов по извилистости пористой структуры.
- а= 1,0…1,5 — Неоднородные с преимущественной ориентацией поровых каналов перпендикулярно поверхности тела;
- а=1,5…2,5-Однородные;
- а=2,5…4,0-Неоднородные с преимущественной ориентацией поровых каналов вдоль поверхности тела;
- а>4,5-Особо неоднородные.
Спеченные пористые материалы часто относятся к однородным по ориентации пор. С увеличением пористости до 44…46% у пористых листовых материалов из порошка стали 08Х12Н15 крупных фракций коэффициент извилистости поровых каналов возрастает до 3,6…3,8.
У пористого сетчатого материала из никелевой сетки после спекания при холодной прокатке, коэффициент извилистости поровых каналов увеличивается до 4,5…5,6, т.е. материал становится особо неоднородным по ориентации паровых каналов.
Пористые неметаллические материалы и изделия из них
Направления и спользования пористых материалов : Автомобильная промышленность, Аккумуляторная промышленность, Биотехнологии и здравоохранение, Керамика, Химическая промышленность, Фильтры и мембраны, Пищевая промышленность, Углеводородная промышленность, Геотекстильная промышленность, Производство средств личной гигиены, Производство ваты, Бумажная промышленность, Фармакологическая промышленность, Металлургическая промышленность, Текстильная промышленность и другие.
1) Легкие бетоны:
а) По способу создания искусственной пористости легкие бетоны делят на:
- бетоны с легкими пористыми заполнителями;
- Крупнопористые (беспесчаные) бетоны, изготовляемые с применением однофракционного плотного или пористого крупного заполнителя без песка;
- ячеистые бетоны, в структуре которых имеются искусственно созданные ячейки, заменяющие зерна заполнителей.
б) По назначению легкие бетоны делят на:
- теплоизоляционные, основное назначение которых — обеспечить необходимое термическое сопротивление ограждающей конструкции (средняя плотность их — менее 500 кг/м З );
- конструктивные, предназначенные воспринимать значительные нагрузки в зданиях и сооружениях, средняя плотность их 1400—1800 кг/м З ;
- конструктивно- теплоизоляционные со средней плотностью 500—1400 кг/м З .
Легкие бетоны с пористыми заполнителями:
Бетонные смеси на пористом заполнителе из-за шероховатой поверхности и небольшой плотности его зерен имеют пониженную удобоукладываемость и требуют эффективных методов уплотнения.
При плотности ниже, чем плотность кирпича, бетоны на пористых заполнителях достаточно прочные и морозостойкие, поэтому при одинаковой теплопроводности толщина стен жилых зданий из легкого бетона может быть значительно меньше.
Ячеистые бетоны
Ячеистые бетоны по способу получения называют пенобетон и газобетон.
Газобетон
Его получают, добавляя к смеси вяжущего материала с водой газообразователь (обычно алюминиевую пудру).
В щелочной среде вяжущего материала при взаимодействии алюминия с водой выделяется водород, вспучивающий массу.
Пенобетон
Для его получения тесто из вяжущего материала и воды смешивают с заранее приготовленной устойчивой пеной, полученной при интенсивном перемешивании воды с пенообразующей добавкой.
рис. 5. Макроструктура ячеистого бетона
Ячеистые бетоны из-за высокой пористости характеризуются повышенным водопоглощением и соответственно низкой морозостойкостью. Однако из них изготовляют стеновые блоки и панели, поверхность которых защищают от действия воды (применяют окраску, декоративно-защитные покрытия).
Эффективно применять ячеистые бетоны в слоистых конструкциях в качестве внутреннего теплоизоляционного слоя.
2) Пеностекло:
а) Исходное сырьё: стеклянный порошок, получаемый измельчением стекольного боя или специального низкосортного стекла, которое варится в небольших ванных печах и гранулируется охлаждением струи стекломассы в воде.
б) Производство пеностекла: Пеностекло обычно получают по порошковому методу. Порошок стекла и газообразователь измельчаются и перемешиваются в шаровой мельнице и вибромельнице. В качестве газообразователя при производстве теплоизоляционного пеностекла применяют антрацит, кокс, ламповую сажу, древесный уголь. Количество добавляемых газообразователей 1-2%.
Получить необходимую структуру пор можно изменяя следующие технологические параметры: количество и вид газообразователя, размеры зерна порошка стекла и газообразователя, а также температурный режим вспенивания. с пеностекла =150—250 кг/мЗ .
в) Назначение изделий: Благодаря тепло- и морозостойкости, а также химической стойкости пеностекло нашло применение в строительстве в качестве утеплителя стен и перекрытий, а также для теплоизоляции оборудования.
рис. 6. Изделия из пеностекла
3) Керамические материалы:
Керамика это поликристаллический материал, получаемый спеканием неметаллических порошков природного или искусственного происхождения. В данное время керамика является третьим промышленным материалом после металлов и пластмасс.
Керамические материалы отличаются от металлических и полимерных следующими свойствами: многофункциональностью, доступностью сырья, низкой энергоемкостью производства, высокой коррозионной стойкостью и устойчивостью к радиационному воздействию, биологической совместимостью, низкой плотностью. По сравнению с другими пористыми материалами керамики обладают хорошей герметичностью.
рис. 7. Влияние пористости керамики (П) на её прочность (К) в относительных единицах.
Пористые керамические материалы применяют в качестве теплоизоляторов (футеровки), и фильтрующих элементов.
Как правило пористые неметаллические материалы и изделия имеют следующие недостатки — малая прочность, хрупкость, неустойчивость при вибрационных нагрузках.
4) Пористые фильтрующие элементы
Использование пористых материалов для работы в жидких и газовых средах позволяет уменьшить ограничения, связанные с низкой диффузией реагентов. В системах с проточными пористыми электродами без применения специальных селективных мембран и диафрагм могут быть разделены электродные продукты, продукты абсорбции и десорбции отсасыванием их через поры.
Вследствие высокой пористости такие материалы имеют хорошую проницаемость для жидкостей и газов при достаточно тонкой фильтрации (до 30 мкм).
Эти материалы легко регенерируются и при этом почти полностью восстанавливают свои первоначальные свойства. Они не засоряют фильтрующиеся жидкости или газы материалами фильтра.
Технология изготовления металлических пористых элементов зависит от их формы и размеров. Фильтры небольших размеров изготавливают спеканием свободно засыпанного порошка. Для более крупных фильтров применяют холодное прессование и последующее спекание. Для получения тонких пористых лент применяют прокатку.
В технике наибольшее распространение получили фильтры из коррозионно-стойкой стали, бронзы, сплавов никеля и титана.
Применение порошковых материалов увеличивает срок службы насосов, двигателей и других агрегатов, работающих на очищенных жидкостях.
5) Фрикционные порошковые материалы
Порошковые фрикционные материалы предназначены для работы в различных тормозных и передаточных узлах автомобилей, гусеничных машин, дорожных и строительных механизмов, самолетов, станков, прессов и т.п. Фрикционные элементы из порошковых материалов изготавливают в виде дисков, секторных накладок и колодок различной конфигурации. Применяют порошковые фрикционные материалы на основе меди и на основе железа.
Все фрикционные материалы в зависимости от условий работы делят на две группы:
• материалы, работающие в условиях сухого трения;
• материалы, работающие в масле.
Порошковые материалы на основе оловянных и алюминиевых бронз, содержащие свинец, графит и железо, предназначены преимущественно для работы в условиях сухого трения со средне- углеродистыми сталями с твердостью 40…45 HRC при давлении до 35 МПа и скорости скольжения до 50 м/с. При меньших давлениях и скоростях до 5 м/с используют металлопластмассовые материалы.
Порошковые материалы на основе железа, содержащие добавки меди, графита, оксида кремния, асбеста, сульфата бария, пред назначены для работы в условиях сухого трения при давлениях до 300 М11а и скоростях до 60 м/с и паре с чугуном либо легированной стапыо в тормозных устройствах различной конструкции дисковых, колодочных или ленточных.
В сравнении с асбофрикционными материалами порошковые материалы обладают более высокими значениями термо- и износостойкости (в 2 — 4 раза), а в некоторых случаях, например при работе с легированным чугуном, и более высоким (на 15…25%) коэффициентом трения.
|
Исходные морошки |
||
|
Дополнительная обработка |
||
|
Рассев порошков |
||
|
Дозирование, шихтование и смешивание |
||
|
Шихта |
||
|
Формование изделия |
||
|
Спекание (650 …900 «С) |
||
|
Механическая обработка |
||
|
Готовое изделие |
||
рис. 8: Технологическая схема получения фрикционных материалов.
6) Пористые углеродные материалы, сибунит
Пористые углеродные материалы (ПУМ) используются в процессах сорбции и катализа. Это обусловлено рядом их специфических свойств и доступностью. По каталитическим свойствам катализаторы на углеродных носителях часто превосходят катализаторы на оксидных носителях.
Для приготовления промышленных катализаторов используются в основном активные угли. Однако широкое применение промышленных активных углей в качестве носителей зачастую ограничено их микропористой структурой и высоким содержанием в них минеральных примесей и серы, а также низкими прочностными характеристиками (недостаточным размером и регулярностью пор).
а) Назначение: Катализаторы на основе Сибунита проявляют высокую активность в процессах гидрирования, гидроочистки, гидродехлорирования, характеризуются значительным увеличением времени жизни катализаторов. Особенно ярко Сибунит проявляет свои свойства как носитель кислотных, сульфидных и промотированных металлических катализаторов.
В качестве адсорбента Сибунит может применяться в медицине и в фармацевтике, в производстве жиров и сахарной промышленности, виноделии и пивоварении, для очистки промышленных и городских сточных вод, в производстве цветных металлов.
б) Описание: синтетические композиционные материалы типа сибунита сочетают в себе достоинства графита (например, химическую стабильность, высокую электропроводность и др.) со свойствами активных углей (высокой удельной поверхностью и сорбционной емкостью).
в) Преимущества синтетических углеродных материалов Сибунит: мезопористая структура; высокая механическая прочность; химическая и термическая устойчивость; низкое содержание примесей.
рис. 9. Типы гранул из пористого углеродного материала сибунит.
Как правило углеродные носители и сорбенты, получают в виде элементов простейшей формы — таблеток, сферических гранул и зерен с диаметром не более 3-5 мм.
