Poreuze keramische dragers van siliciumcarbide (SiC) worden op grote schaal gebruikt in geavanceerde membraanfiltratiesystemen vanwege hun uitstekende thermische stabiliteit, hoge mechanische sterkte en superieure chemische bestendigheid.
Keramische materialen op basis van SiC zijn bijzonder geschikt voor veeleisende omgevingen, zoals filtratie bij hoge temperaturen, afvalwaterzuivering en chemische verwerking. Conventionele SiC-keramiek vereist echter extreem hoge sintertemperaturen (>2000 °C), wat de grootschalige industriële productie beperkt.
Om deze uitdaging het hoofd te bieden, is vloeistoffase-sinteren bij lage temperatuur met behulp van glasadditieven een effectieve oplossing geworden.
Strategie voor sinteren bij lage temperatuur van SiC-keramiek
In dit onderzoek is een zirkoniumhoudende glasfrit afkomstig uit goedkope schalie, werd ingezet als sinterhulpstof om de binding in de vloeibare fase te bevorderen en de sintertemperatuur aanzienlijk te verlagen.
De glasfrit wordt vervaardigd door leisteengrondstoffen te smelten bij 1500 °C, waardoor een glas met meerdere oxiden ontstaat dat het volgende bevat:
- SiO₂, Al₂O₃, CaO (netwerkstructuur)
- ZrO₂ (verbetert de corrosiebestendigheid)
- Fe₂O₃, MgO, Na₂O, K₂O (versterken de sinterwerking)
Met deze methode kan SiC-keramiek worden verdicht bij 1100–1250 °C, waardoor het energieverbruik aanzienlijk wordt verminderd.
Grondstoffen en fabricageproces
Grondstoffensysteem
- Siliciumcarbide (SiC)-poeder (zuiverheid 99,5%, D50 ≈ 15,1 μm)
- Zirkoniumhoudende glasfrit (additief voor sinteren bij lage temperatuur)
- Grafietdeeltjes (D50 ≈ 19,4 μm, poriënvormend middel)
- Carboxymethylcellulose (CMC, bindmiddel)
Verwerkingsstappen
- Het mengen van SiC-poeder, glasfrit en grafiet in vooraf vastgestelde verhoudingen
- Kogelmalen met een 0,5% CMC-oplossing (30 minuten)
- Drogen en granuleren
- Uni-axiaal persen bij 30 MPa
- Sinteren bij 1100–1250 °C gedurende 3 uur
Het eindproduct is een poreuze SiC-keramische drager met een stabiel, onderling verbonden poriënnetwerk.
Karakterisering van microstructuur en prestaties
1. Beheersing van de porositeit
De porositeit kan doeltreffend worden geregeld door het gehalte aan glasfrit en grafiet aan te passen:
- Porositeit: ~30%–40%
- Een uniforme en onderling verbonden poriënstructuur
- Stabiele poriëngrootteverdeling
Grafiet verbrandt tijdens het sinteren, waardoor doorlopende open kanalen ontstaan die de doorlaatbaarheid vergroten.
2. Mechanische sterkte
Onder geoptimaliseerde omstandigheden (20%-glasfrit, 15%-grafiet, gesinterd bij 1180 °C):
- Buigsterkte: 67,1 MPa
- Evenwichtige verhouding tussen sterkte en porositeit
- Stabiele structurele integriteit
De glasfase zorgt voor een betere hechting tussen de deeltjes en verhoogt de structurele stabiliteit.
3. Analyse van de fasesamenstelling
Uit de resultaten van de röntgendiffractie blijkt het volgende:
- Hoofdfase: SiC
- Er is een geringe glazige fase aanwezig
- Er zijn geen destructieve secundaire fasen waargenomen
Dit bevestigt dat sinteren in de vloeibare fase het belangrijkste mechanisme voor verdichting is.
4. Microstructuur (SEM-observatie)
Uit microstructurele analyse blijkt:
- Gelijkmatige verdeling van SiC-deeltjes
- Glasfasehechting tussen deeltjes
- Goed ontwikkelde, onderling verbonden poriënkanalen
- Gemiddelde poriëngrootte: 1,37 μm
Deze constructie is ideaal voor toepassingen op het gebied van membraanfiltratie.
5. Doorlaatbaarheid en waterflux
De geoptimaliseerde poreuze SiC-drager vertoont de volgende eigenschappen:
- Gemiddelde poriëngrootte: 1,37 μm
- Zuiverwaterstroom: 8075 L/(m²·h·bar)
Dit toont aan dat de doorlaatbaarheid van microfiltratiesystemen uitstekend is.
6. Weerstand tegen corrosie door zuren en basen
De chemische stabiliteit werd onder extreme omstandigheden beoordeeld:
- Zure omgeving: pH = 0 (H₂SO₄, 80 °C)
- Alkalische omgeving: pH = 14 (NaOH, 80 °C)
- Inweektijd: 24 uur
Resultaten:
- Behoud van de buigsterkte na zuurbehandeling: 47,4 MPa (verlies van 29,41 TP3T)
- Behoud van de buigsterkte na behandeling met alkali: 46,7 MPa (verlies van 30,41 TP3T)
Het monster met 20%-glasfrit vertoont de beste algehele chemische stabiliteit.
Belangrijkste voordelen van poreuze SiC-keramische dragers
- ✔ Sinteren bij lage temperatuur (1100–1250 °C)
- ✔ Hoge porositeit (~36%)
- ✔ Hoge buigsterkte (67,1 MPa)
- ✔ Ultrahoge waterdoorvoer (8075 L/m²·h·bar)
- ✔ Uitstekende zuur- en alkalibestendigheid
- ✔ Goedkope grondstoffen (uit schalie gewonnen glasfrit)
Industriële toepassingen
Poreuze SiC-keramische dragers worden op grote schaal gebruikt in:
- Membranen voor de behandeling van industrieel afvalwater
- Gasfiltratiesystemen voor hoge temperaturen
- Installaties voor chemische scheiding en zuivering
- Draagstructuren voor katalysatoren
- Precisie-microfiltratiemembranen
Conclusie
In deze studie wordt een kosteneffectieve methode beschreven voor het vervaardigen van poreuze SiC-keramische dragers, waarbij gebruik wordt gemaakt van een uit schalie verkregen zirkoniumglasfrit als sinterhulpstof.
De belangrijkste resultaten zijn onder meer:
- Aanzienlijke verlaging van de sintertemperatuur
- Verbeterde controleerbaarheid van de poriënstructuur
- Verbeterde mechanische eigenschappen en doorlaatbaarheid
- Hoge bestendigheid tegen zure en basische omgevingen
Deze technologie biedt een veelbelovende weg naar grootschalige industriële toepassing van op SiC gebaseerde keramische membraandragers onder zware bedrijfsomstandigheden.
