אלומינה פעילה (-Al₂O₃), כתמיכת זרז, נמצאת בשימוש נרחב בזיקוק נפט, בתעשייה כימית של פחם ובתחומים אחרים. עם המגמה ההולכת וגוברת של נפט גולמי כבד ואיכותי יותר-, הדרישה לתמיכות עם מבנים מקרו-פוריים ומזופוריים הפכה דחופה יותר כדי לשפר את יעילות העברת המסה והדיפוזיה של מולקולות גדולות. יציקת שחול היא אחת השיטות הנפוצות ביותר לעיצוב תומכי אלומינה פעילים, ומבנה הנקבוביות שלו מושפע מגורמים רבים כגון תכונות אבקה, תוספים ליצירת ופרמטרים של תהליך שחול. שליטה יעילה במבנה הנקבוביות במהלך תהליך היווצרות הפכה למוקד מחקר.
גורמים מרכזיים המשפיעים על מבנה הנקבוביות
01 מאפייני אבקת אלומינה
המורפולוגיה, גודל החלקיקים ופיזורם, מבנה הנקבוביות ושטח הפנים הספציפי של אבקת אלומינה משפיעים באופן משמעותי על יציקת שחול ועל התכונות הפיזיקוכימיות של התומך. בין אלה, המורפולוגיה וגודל החלקיקים משקפים את יכולת הזרימה והדחיסה של האבקה.
מורפולוגיה: אבקות כדוריות כדוריות או חלולות מציגות יכולת זרימה טובה, מתערבבות בקלות בצורה אחידה עם תוספים, ומביאות לתומכים עם פיזור גודל נקבוביות מרוכז ונקבוביות גבוהה. לעומת זאת, אבקות לא סדירות כגון חלקיקים דמויי מחט-או חלקיקים בצורת פתיתים- מובילים לערבוב רופף, יציקה קשה ופיזור גודל נקבוביות מפוזר.
גודל חלקיקים: גדלי חלקיקים קטנים יותר מגדילים את נקודות המגע הבין-חלקיקים, מה שמוביל לצפיפות אריזה גבוהה יותר וחוזק מכני משופר של התמיכה. עם זאת, ייצור אלומינה עם חלקיקים עדינים מדי הוא מאתגר מבחינה תעשייתית. חלוקת גודל החלקיקים משפיעה גם על אריזת האבקה ועל כושר הדחיסה.
02 תוספי יצירה
(1) יחס מים-ל-אבקה
מכיוון שאבקת אלומינה יבשה חסרה פלסטיות, מוסיפים כמות מתאימה של מים במהלך האקסטרוזיה כדי לקשור את חלקיקי האבקה לעיסה פלסטית. מים מפעילים גם אפקט עצבני עדין, מה שמשפר משמעותית את כוח ההדבקה בין חלקיקי אלומינה רטובים ובכך משפר את החוזק המכני של התומך. יחס המים-ל-אבקה (יחס מסה של מים לאבקה גולמית) משפיע על פלסטיות הדבק, לחץ האקסטרוזיה ותכונות התמיכה. יחס נמוך מדי מביא ללחץ שחול גבוה, משטח מחוספס, חוזק נמוך ונפח נקבוביות קטן. יחס גבוה מדי מוביל להידבקות מוטות, עיוות גוף ירוק ושטח פנים ספציפי מופחת. יחס מים-ל-אבקה מתאים מבטיח שחול חלק ויציבות מבנית, בעוד שיחס גבוה מדי גם מגדיל את עלויות הייבוש.
(2) סוכני פיפטציה
חומרי החפירה כוללים חומצות אורגניות ואי-אורגניות. חומצות אורגניות נפוצות הן חומצה פורמית, חומצה אצטית, חומצת לימון, חומצה מאלונית וחומצה אוקסלית. חומצות אנאורגניות נפוצות כוללות חומצה חנקתית, חומצה הידרוכלורית וחומצה זרחתית. עבור יציקת שחול של תומכי זרז אלומינה, חומצה חנקתית היא חומר הפיצוץ הנפוץ ביותר בשל יכולת הפיצוץ החזקה שלה. הוספת כמות מתאימה משפרת חוזק מכני ומרכזת את חלוקת גודל הנקבוביות; תוספת מוגזמת משבשת את אריזת החלקיקים, מגדילה את המיקרו-נקבים ומפחיתה את החוזק.
(3) סוכני יצירת נקבוביות-
זרזים של טיפול הידרותי וזרזי פיצוח קטליטי נוזליים דורשים תומכים בעלי נפח נקבוביות גדול. לכן, חומרים ליצירת נקבוביות-מוכנסים לפורמולה כדי להתאים את נפח הנקבוביות ואת התפלגות גודל הנקבוביות. חומרים ליצירת נקבוביות-נפוצים עבור תומכי זרזים של אלומינה שחולפים כוללים עמילן מסיס במים-, פוליאתילן גליקול, נתרן פוליאקרילט, פוליאקרילאמיד, אבקת פחמן ואלכוהול פוליוויניל. ניתן לסווג אותם לגורמים-ליצירת נקבוביות פיזיקליות וכימיות.
חומרים ליצירת נקבוביות- פיזית (למשל, עמילן, פחמן שחור, פחמן פעיל או פולימרים אורגניים) מתפרקים לגזים במהלך הסתיידות, בורחים ומשאירים מאחור מאקרופוריות.
חומרים כימיים ליצירת נקבוביות-(בדרך כלל מלחים אנאורגניים מסיסים במים- כגון זרחן, סיליקון או תרכובות בורון) משנים את גודל החלקיקים ומצב הפיזור של אבקת אלומינה, ויוצרים חלקיקים משניים גדולים יותר המגדילים את החללים הבין-חלקיקים, ובכך מגדילים את גודל הנקבוביות.
השימוש המשולב בשני הסוגים של חומרים ליצירת נקבוביות-יכול לייצר אפקטים סינרגטיים, להפחית את הכמות הנדרשת ולהימנע מחלוקת גודל נקבוביות מפוזרת ואובדן חוזק.
(4) חומרי סיכה ומייחים
חומרי סיכה (למשל, אבקת חילבה, גליצרין) מפחיתים את עמידות החיכוך, משפרים את מהירות האקסטרוזיה ואיכות פני השטח. חומרי פלסטיק (למשל, אלכוהול פוליוויניל, נגזרות תאית) משפרים את הפלסטיות של הדבק ואת יכולת הצורה; קבוצות ההידרוקסיל שלהם יכולות ליצור קשרי מימן עם קבוצות הידרוקסיל מאלומיניום, מה שמחזק את הקשר.
03 פרמטרים של תהליך שחול
תהליך האקסטרוזיה משפיע באופן משמעותי על תהליך הדפוס ועל התכונות הפיזיקוכימיות של התומך. יציקת שחול כוללת שני שלבים: לישה (מוללינג) ושחול. ראשית, ללוש היטב אבקת בוהמיט פסאודו-, מים וקשרים. לאחר מכן, המשחה הרטובה ההומוגנית מוזנת לתוך מכבש עם לוחית קוביות מרובות-, שם היא נאלצת דרך חורי התבנית על ידי שחול בורג ליצירת גופים מעוצבים (למשל, גלילים, טבעות, טרילובות, מרובע אונות, פרפרים, חלות דבש). אלה מיובשים ומסתירים לאחר מכן כדי לקבל את תמיכת האלומינה הסופית.
(1) תהליך לישה (מולינג).
זמן הלישה משפיע על הומוגניות הדבק ומבנה הנקבוביות. זמן קצר מדי מוביל לערבוב לא אחיד, יציקה קשה וחוזק נמוך. לישה ממושכת גורמת לקריסה של מקרופוריות לנקבוביות קטנות יותר, מצמצמת את חלוקת גודל הנקבוביות ומגבירה את החוזק. עם זאת, לישה ארוכה מדי מקשה על הוצאת המשחה, והחוזק המכני אינו משתפר עוד. בנוסף, יישון המשחה הלישה לתקופה מגבירה את החוזק המכני של התמיכה.
(2) תהליך שחול
מהירות שחול, לחץ, טמפרטורה וכו' משפיעים על איכות הגוף הירוק ותומכים במבנה הנקבוביות. שחול איטי מדי מוביל לעיוות ולבועות בגוף הירוק; שחול מהיר מדי גורם לחורים או פגמים אחרים. היישום של מי קירור במחזור שולט בטמפרטורת האקסטרוזיה, מונע אידוי מים ושומר על פלסטיות. לחץ האקסטרוזיה קשור באופן ליניארי ליחס המים-ל-אבקה והוא פרמטר מפתח להתאמת צפיפות הגוף הירוק. לאחר שנקבעו תהליך הניסוח והלישה, תהליך ההשחול הוא שלב קריטי ביצירת תומכי זרז אלומינה. שלוש דרישות ספציפיות הן: (1) הבטחת המאפיינים הפיזיקליים-כימיים של התמיכה המחולצת עומדות בדרישות היישום; (2) מזעור בלאי בציוד האקסטרוזיה; (3) צמצום עלויות האקסטרוזיה.
שיטות אופייניות לבקרת מבנה נקבוביות
01 שיטת סינטר-בטמפרטורה נמוכה
הוספת עזרי סינטר-בטמפרטורה נמוכה (למשל, תרכובות ספציפיות) מקדמת עיבוי של קבוצות הידרוקסיל פני השטח על חלקיקי אלומינה בטמפרטורות נמוכות יותר, ומכווננת ביעילות את נפח הנקבוביות וגודל הנקבוביות. מנגנון הגדלת הנקבוביות-הוא כדלקמן: הטרואטומים מהסינטר מסייעים להחדיר לרשת קשרי Al-O, משבשים את קשרי Al-O המחוברים ביניהם, מפחיתים את מתח הפנים של אבקת אלומינה וגורמים לקריסת דופן הנקבוביות במהלך הסתיידות, מה שמגדיל את גודל הנקבוביות. בנוסף, סובלימציה חלקית או פירוק של עזר הסינטר בטמפרטורות מסוימות מגדילים את נפח הנקבוביות של תומך -Al₂O₃. שיטה זו היא כיוון חשוב להגדלת הנקבוביות.
02 שיטת פיזור אלומינה
שיטת פיזור האלומינה פשוטה יחסית: ערבוב מבשרי אלומינה בעלי מאפייני פיזור שונים כדי להתאים את מבנה נקבוביות התמיכה. העיקרון הוא שמבשרי בוהמיט פסאודו- בעלי תכונות פיזור שונות, בשל גדלי החלקיקים השונים, משנים את מצב האריזה המקורי של החלקיקים לאחר הערבוב. חלקיקים עדינים יכולים לספק שטח פנים ספציפי גבוה, בעוד שחלקיקים גסים תורמים לגודל נקבוביות גדול יותר. כך, ניתן לקבל מבנה נקבוביות מתאים, להשגת בקרת מבנה נקבוביות יעילה.