蜂窩陶瓷是一種結構似蜂窩形狀的新型陶瓷產品。由最早使用在小型汽車尾氣淨化廣泛套用在化工、電力、冶金、石油、電子電器、機械等工業中，而且越來越廣泛，發展前景相當可觀。
基本介紹
- 中文名：蜂窩陶瓷
- 外文名：honeycomb ceramics
- 學科：機械工程
- 領域：工程技術
簡介,特點,生產工藝,用途,1.催化劑載體,2.耐火窯具,3.壁流式過濾器,
簡介
蜂窩陶瓷無數相等的孔組成的各種形狀，最大的孔數已達到了每平方厘米120～140，密度每立方厘米0.3～0.6克，吸水率最高達20%以上。由於多孔薄壁的特點，大大增加了載體的幾何表面積和改善了抗熱衝擊性能，生產的產品，其網狀孔以三角和四方為主，三角比四方承受力好得多，孔數也多些，這一點作為催化載體尤其重要。隨著單位面積孔數的提高和載體孔壁厚度的減少，陶瓷載體的抗熱衝擊趨勢是提高的，熱衝擊破壞的溫度也是提高的。因此蜂窩陶瓷必須要降低膨脹係數和提高單位面積的孔數。熱膨脹係數是主要性能指標，當前國外水平是α25－800℃≤1.0×10－6℃－1，與國內對比有一定差距，不過這差距越來越小。最早生產蜂窩陶瓷的原料主要是高嶺土、滑石、鋁粉、粘土等，尤其是硅藻土、沸石、膨脹土以及耐火材料的套用，蜂窩陶瓷套用日益廣泛，性能越來越好。
除了用於燒結成型的蜂窩陶瓷外，還出現了不燒結的蜂窩陶瓷，這大大提高了催化性能的活性。不僅外觀尺寸由最小的球環形狀發展到大尺寸的立柱和方形和圓形。根據模具設計的不同；可以製作成不同尺寸不同形狀不同結構的蜂窩陶瓷。如用在石化行業煉油空氣吸附乾燥的分子篩催化劑，尺寸高達0.8m，寬0.25m的正方形，孔數每平方厘米達到25，從原料、工藝以及機械製造方面都有了很大的變化。尤其是生產工藝有了很大提高。作為催化劑的蜂窩陶瓷要求在製造成型時不開裂，有機成分必須釋放乾淨，除了耐磨性能外還要求有一定的機械強度，再生回用多次。
蜂窩陶瓷可由多種材質製成。主要材質有: 堇青石、莫來石、鈦酸鋁、活性炭、碳化矽、活性氧化鋁、氧化鋯、氮化矽及堇青石一莫來石、堇青石一鈦酸鋁等複合基質。
活性炭粉末或顆粒製成蜂窩陶瓷形狀後，大大提高了水處理的淨化和廢水處理能力，尤其在醫藥工業中抗菌素、激素、維生素、核酸針劑及各種針劑，藥物等的脫水脫色去雜質等。
蜂窩陶瓷按用途可以分為蓄熱體、填料、催化劑載體和過濾材料四大類。
蜂窩陶瓷蓄熱體熱容量1000kJ/kg以上，產品最高使用溫度≥1700℃，在加熱爐、烘烤器、均熱爐、裂解爐等窯爐中可節省燃料達40%以上，產量提高15%以上，排放煙氣溫度低於150℃。
蜂窩陶瓷填料比其它形狀填料的比表面積更大，強度更好等優點，可使汽液分布更均勻，床層阻力降低，效果更好，且可延長使用壽命，在石化、製藥和精細化工行業中作填料效果相當好。
蜂窩陶瓷用在催化劑方面更具優勢。以蜂窩狀陶瓷材料為載體，採用獨特的塗層材料，以貴金屬，稀土金屬及過渡金屬製備，因而具有高的催化活性，良好的熱穩定性，長的使用壽命，高強度等優點。
用於催化裂化的蜂窩陶瓷正在取代現有的產品。催化裂化用200～500℃之間的重餾分油為原料（包括減壓餾分，直餾輕柴油、焦化蠟油等），以矽鋁酸鹽為催化劑，反應溫度在450～550℃之間（隨反應器類型而異）。它產量大（每個大型催化裂化裝置，每年裂化油品百萬噸以上），技術條件要求高（例如，催化劑每接觸油幾分鐘甚至幾秒鐘就要再生，每分鐘流過流化床催化劑達10t或更多）隨著催化活性的提高，為了加快再生速度，要求更加苛刻的再生條件。例如600～650℃，甚至700℃，催化劑消耗量大，每噸進料油消耗0.3～0.6kg催化劑，催化劑力學強度差的，消耗的還要大得多。這要求著催化劑活性、選擇性、穩定性的稍微提高，對生產實際將具有重大意義。正因為如此，蜂窩陶瓷催化劑也在不斷推陳出新，市場需求也越來越大，這些催化裂化用的催化劑被蜂窩陶瓷催化劑所代替，大尺寸多孔數的蜂窩陶瓷催化劑已嶄露頭角，有著強勁的發展勢頭。
蜂窩陶瓷作為過濾材料有以下優點：化學穩定性好，耐酸鹼及有機溶劑；極好的耐急熱急冷性能，工作溫度可高達1000℃；抗菌性能好，不易被細菌降解，不易堵塞且易再生；較強的結構穩定性，孔徑分布狹窄，滲透率高；無毒，尤其適用於食品和藥物的處理。
其主要在冶金行業得到套用。蜂窩陶瓷體的比表面積大，提高了過濾片吸附和捕捉細小雜質的能力，比傳統多孔陶瓷過濾效果好，金屬液流動平穩。
特點
蜂窩陶瓷的特點：環保陶瓷 陶瓷材料由於其高強度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨等特異性能可廣泛套用於各種環保領域，如汽車尾氣排放等。
1、用於微過濾、超過濾和納過濾用的多孔超薄陶瓷和聚合陶瓷薄膜 陶瓷無機膜的發展始於世紀美國科學家首次採用多孔陶瓷膜來分離腐蝕性極強的UF 6 同位素。由於SiO2 、Al2O3 、MgO、ZrO2 、TiC、UC等無機矽酸鹽材料製備的無機膜具有聚合物有機薄膜無法比擬的優越性，21世紀起，無機陶瓷薄膜的開發和套用研究得到了更進一步的發展，除了傳統的核工業、航空航天、食品工業、化工、生物等工業，在環境領域的套用和發展特別引起了世界各國的重視。
德國茵萊精密陶瓷有限公司已研發出具世界領先水平的用於微濾(1?m至30nm)、超濾(30nm至3nm)和納濾(3nm至0.9nm)用的多孔陶瓷薄膜，並已開發出多種規格和用途的工業實際套用成套分離和過濾裝置，如對含放射性物質廢水的三級陶瓷膜過濾淨化處理裝置。這種用於微濾、超濾、納濾用的多孔陶瓷薄膜是一種進行物質分離和能量傳輸的中間介質隔膜，薄膜根據實際需要製成所需孔徑(微米級、亞微米級和納米級微孔)，所有薄膜都有界定的阻斷過濾值，如超濾（用於對諸如乳膠濁液的清理、消毒滅菌和其它化學物質的純化）和納濾(用於固化微生物和細胞的生物陶瓷載體，固化後的生物膜用來生產如蛋白和疫苗這樣的生物活性物質)。其中，0.9nm孔徑納濾膜是世界已知最小孔徑的納濾陶瓷膜，阻斷過濾值小至450g/mol，如果界定的阻斷過濾值為<1000g/mol，試驗證明可以對SO42－的阻止高達90%。
多孔陶瓷載體是上述三種陶瓷過濾膜的基礎，並決定過濾組件的形狀和陶瓷膜面積大小。我司開發的過濾組件在高至450°C的溫度和60巴大氣壓的環境下能完全正常工作，可用各種酸鹼液或蒸汽高溫沖洗。這些陶瓷載體通過不同生產工藝製造出平板形、毛細管形、單孔道、多孔管道等。平板載體厚度1mm，需要時可用陶瓷粘接技術將多個盤形體層黏在一起。毛細管陶瓷載體的直徑可小至1.1mm。多孔管道陶瓷載體的尺寸大小不一(22孔道載體的標準尺寸為寬101mm，厚6mm，孔道直徑3mm)。載體的具體形狀、尺寸大小取決於陶瓷薄膜面積和分離過濾用途，並與不鏽鋼套體結合一起使用。
薄膜中間隔有一或數層多孔陶瓷體，用特別的工藝鍍膜在粗糙的多孔陶瓷基體上，陶瓷基體可以是多種形狀的平面或管道，其製備依據分離要求可用溶膠－凝膠工藝、發泡工藝、有機泡沫浸漬工藝、添加造孔劑工藝等備制。分離膜兩邊的物質粒子由於尺寸大小、擴散係數或溶解度的差異等，在一定力差、濃度差、電位差或化學位差的驅動下發生傳質過程。傳質速率的不同會導致選擇性透過，進而引起混合物的分離。
我司擁有世界上已知的所有納米陶瓷鍍膜工藝技術，包括溶膠鍍膜技術。常規的塗層技術如浸塗、噴塗、旋轉塗等也可用來製作溶膠薄膜，然後通過燒制或固化將這層溶膠薄膜轉化成陶瓷膜。各種鍍膜技術適合不同產品用途，含水多的溶膠鍍膜技術生成一種所謂的膠態溶液，其離散顆粒受表面荷質比影響非常穩定。溶膠層在400°C－600°C溫度燒制，可以生成TiO2、ZrO2和γ－Al2O3這樣的間隙多孔薄膜，非常適合超過濾用途。通過可控水解生成帶自由羥基的齊聚物聚合溶液，這種生成過程可以通過加入一定量的水或加入某種抑制水分解的絡合劑來實現，羥基通過縮聚作用在200°C－500°C度時固化，形成陶瓷微孔網狀系統。由此可製成適用於納濾和納米級氣體分離的TiO2、ZrO2、Al2O3和SiO2無定形微孔陶瓷膜。
我司研製出的納米過濾薄膜，其孔結構與以粒子間孔結構為特徵的微過濾和超過濾薄膜不同，是一種無單個粒子的不定形無組織微孔結構，通過聚合溶膠技術鍍膜而成。開發的陶瓷薄膜在製備時是根據要過濾和分離物質的大小的具體需要特製成所需孔徑和孔隙數量，故每一薄膜根據用途的不同而都有界定的阻斷過濾值，即這種陶瓷薄膜的孔徑和孔隙數量可根據用途不同在製備時予以調整。另外，陶瓷薄膜技術是以物理原理為基礎的，無需化學品的輔助，沒有二次污染，效率高，能耗低，操作簡易。化學穩定性非常好，耐腐蝕、耐高溫、結構造型穩定、機械強度高，能經受高速粒子粉塵的衝擊，可在高壓高溫和腐蝕環境中套用，有利於提高流通量，並可有效地對陶瓷薄膜進行酸鹼、高壓反衝和高溫蒸汽清洗。採用我司陶瓷膜的液相和氣體分離成套工業套用設備已經成功套用在包括核工業、航空航天、食品工業、醫藥、環保等眾多實際工業領域中，包括對放射性廢水的淨化處理、聚合物薄膜與陶瓷薄膜結合的抑制和排除蛋白的超過濾淨化、用於淨化處理含重金屬和有機物廢水的陶瓷薄膜生物反應器、淨化處理輥軋乳液的陶瓷薄膜超過濾淨化裝置、對生產玻璃纖維產生的廢水的兩級薄膜過濾淨化處理裝置等等。
陶瓷薄膜在環保中的過濾和分離套用範圍非常廣。在對紡織或印染廠的有色廢水經陶瓷薄膜淨化過濾處理時，不僅可清除各種有害化學物質，也可以對溶入水中的化學色劑分子進行分離回收並再次循環實用。薄膜陶瓷也可以通過將可溶金屬離子轉化成非溶性金屬碳酸鹽來減少工業廢水中的重金屬，當薄膜上的金屬碳酸鹽堆積到一定量時對其進行沖洗然後用另一過濾器回收，經濟效益非常明顯。
由於納米孔徑級陶瓷薄膜的發展和套用，使採用無機陶瓷薄膜對含低分子有機污染物、重金屬離子、表面活性劑廢水的處理成為可能。故薄膜陶瓷不僅在淨化生活用水、處理工業用水和廢水等環境治理方面，同時在冶金、化工、食品、醫藥、生物技術等領域都有著極好的市場套用前景。茵萊精密陶瓷有限公司的陶瓷溶膠鍍膜及各種溶膠和納米複合薄膜的生產完全是在公司超淨廠房內進行的(等級10/100±5%；室溫：±1 °C)。不僅研發、生產各種薄膜，同時可為客戶研發設計適合客戶特定產品的陶瓷薄膜和過濾分離系統集成。
2、陶瓷觸媒 我公司開發的陶瓷催化或觸媒技術和產品在工業廢氣和廢水淨化處理中的套用已越來越廣泛。催化體的化學組成及設計因具體實際套用而各不相同，其幾何體和形狀可以多種多樣，如蜂窩瓷、顆粒陶瓷、球形陶瓷、多孔或單孔管道陶瓷等。典型的陶瓷材料有：堇青石、莫來石、塊滑石、高鋁、碳化矽、氧化鈦、氧化鋯、電剛玉、沸石、複合陶瓷等。用途從簡單的瓦斯焊槍、汽車尾氣處理、大型柴油發電機的廢氣淨化到用於工業廢氣處理、熱交換及熱儲存的大型蜂窩瓷。例如：
分解一氧化二氮(Nitrous oxide)的陶瓷觸媒 在硝酸(Nitric－acid)生產中，利用一種特殊的陶瓷觸媒體可完全分解一氧化二氮，將其分別分解至相應的元素而不會產生NOX，主要產品鍩(NO)不會受任何影響。
氧化碳氫化合物的陶瓷觸媒 用鈣鈦類氧化材料研製的陶瓷觸媒體可以氧化碳氫化合物，其催化性能遠勝於貴金屬觸媒，特別在抗高溫、抗腐蝕、抗毒性和低成本經濟性方面表現尤為突出。
氧化鹵代烴(Halogenated hydrocarbons)的陶瓷觸媒 在過渡金屬氧化物混合物基礎上開發的陶瓷觸媒可以分解鹵代烴，其活性、選擇性和使用壽命要遠優於常規催化劑。
汽車尾氣處理用陶瓷觸媒轉化器 為了控制汽車的廢氣污染，降低一氧化碳、黑煙及其他有毒氣體的排放，觸媒轉化器從70年代末開始被使用在汽車上。在過去數十年中的技術發展中，汽車製造廠使用了許多不同的方式來降低排放污染，例如排氣循環、燃料箱油氣回收及引擎電子控制系統等，但觸媒轉化器一直是降低有害廢氣排放的最有效方法。在觸媒轉化器的化學反應中，貴金屬原子產生各種不同的過渡反應，使整體反應活化能降低，進而提高廢氣轉化成一般無害氣體的反應機率，而觸媒本身在化學反應後仍然保持原來的狀態，這是觸媒轉化器和傳統排煙過濾器的最大差異。觸媒轉化器不僅有良好的使用壽命，也避免了長期使用後被阻塞的可能性。
大部分的現代觸媒轉化器包含了兩個部分：還原性蜂窩瓷及氧化性蜂窩瓷。當廢氣通過還原性蜂窩瓷時，氮氧化物首先被分解為氮氣和氧氣。當廢氣進一步通過氧化性蜂窩瓷時，一氧化碳和碳氫化合物被進一步氧化成二氧化碳及水。此時前一階段產生的氧氣亦有助於此類氧化反應的進行，特別是高壓縮比的發動機，由於排放的氮氧化物濃度較高，在還原反應中產生的氧氣濃度亦明顯提高。
生產工藝
汽車尾氣處理用的蜂窩陶瓷材料常為多孔堇青石，其每平方英寸400孔道的幾何外形，以及材料中 2－3mm 的多孔結構，產生了0.2－0.3m2 /g的高比表面積。用同步電子輻射測量方法(EXAFS：extended X－ray absorption fine structure)可精確地測定貴金屬鉑元素在蜂窩陶瓷載體表面上的原子排列方式，顯示了鉑原子在堇青石陶瓷載體表面形成所謂的海棉狀結晶，使得觸媒轉化器內的氣體接觸面積平均在2000m2以上，同時也使氣體分子在觸媒轉化器中有足夠高的機率與貴金屬原子碰撞產生有效的觸媒轉化反應。除研發不同型號的全陶瓷載體外，茵萊賽米克高新陶瓷有限公司擁有生產複合、合金化以及陶瓷塗層的觸媒蜂窩瓷技術和生產工藝。
用途
蜂窩陶瓷對的用途很廣，介紹如下：
1.催化劑載體
蜂窩陶瓷用作催化劑載體時，主要套用於汽車排氣淨化、鍋爐排煙脫硝（NOx）、工業排氣除臭、除去有毒有害氣體等。
汽車排氣淨化用的蜂窩陶瓷催化劑載體主要是被覆γ-Al2O3的堇青石蜂窩陶瓷載體。
2.耐火窯具
擠出蜂窩陶瓷窯具的質量比傳統窯具輕60%-75%，熱量傳遞迅速，可實現快速燒成，用它墊燒鐵氧體或其它電子陶瓷時，有利於提高產品的性能。
3.壁流式過濾器
多孔狀薄壁的蜂窩陶瓷可過濾淨化柴油機燃氣廢氣（約500℃）中的碳粒。
