ЗАЩИТА МЕТАЛЛОВ, 2008, том 44, № 2, с. 217-222
НОВЫЕ ВЕЩЕСТВА, ^^^^^^^^^^ МАТЕРИАЛЫ И ПОКРЫТИЯ
УДК 541.183
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МАКРОПОРИСТОЙ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ДИОКСИДА КРЕМНИЯ
© 2008 г. А. И. Ратько, А. И. Иванец, Т. А. Азарова, С. М. Азаров
Институт общей и неорганической химии НАН Беларуси 220072, Минск, Сурганова, 9/1 Поступила в редакцию 15.06.07 г.
Получены образцы макропористых (размер пор >50 мкм) керамик на основе кристаллического диоксида кремния с нанесенными на них мембранными слоями (размер пор 10-20 мкм), удовлетворяющие основным критериям, предъявляемым к пористым материалам фильтрационного назначения. Оптимальным сочетанием пористости и механической прочности обладали образцы на основе полидисперсного порошка кристаллического диоксида кремния гранулометрического состава 100-315 мкм с содержанием алюмосиликатного связующего 11 мас. % и сформованные при давлении 30 МПа. Полученные образцы после термообработки имели пористость =30% и предел прочности на сжатие =35 МПа. Показано, что многослойные фильтроэлементы с мембранными слоями, сформированными из суспензии порошка диоксида кремния, обеспечивают очистку воды от железа с 1-2 мг/л до санитарных норм (0.3 мг/л). Оптимальным сочетанием эксплуатационных характеристик и степени очистки воды от железа, обладают фильтроэлементы с двукратно нанесенным мембранным слоем из порошка кристаллического диоксида кремния с размером частиц 10-50 мкм.
РАС8: 81.05.Je, МЬ
ВВЕДЕНИЕ
Решение задачи получения пористых прочных керамических материалов фильтрационного назначения на основе кристаллического диоксида кремния требует проведения исследований по выявлению влияния различных факторов (дисперсность каркасообразующих частиц, особенность химического взаимодействия и количество связующих компонентов, давление прессования, условия термообработки и т.д.) на пористую структуру и прочностные характеристики керамического материала. В настоящей работе изучены характеристики пористой керамики на основе кристаллического диоксида кремния и определены возможности ее использования в качестве фильтрующих материалов для очистки питьевой воды.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В качестве исходного сырья для получения пористых керамических материалов использовали диоксид кремния Лоевского месторождения (Беларусь) марки ВС-030 ГОСТ 22551-77, химический состав которого представлен в табл. 1.
Порошок диоксида кремния в состоянии поставки имеет влажность 50-70%. Существенный разброс влажности различных партий диоксида кремния не позволяет применять единую схему смешивания компонентов шихты, поэтому он подвергался пред-
варительной сушке при 200°С в течение 3 ч до достижения влажности менее 5%.
В состав шихты для прессования входили следующие компоненты: порошок кристаллического диоксида кремния (размер частиц 100-200 мкм, 200-315 мкм, 315-400 мкм, 100-315 мкм), алюмо-силикатное связующее, пластификатор и порооб-разователь. Распределение масс частиц диоксида кремния по размерам внутри используемых фракций приведено в табл. 2.
Получение алюмосиликатного связующего включало две основные стадии: синтез раствора алюмината натрия с алюминатным модулем р = я(Ка20)/я(А1203) = 5.9 и смешивание раство-
Таблица 1. Химический состав природного диоксида кремния марки ВС-030
Наименование показателя Норма для марки
Массовая доля оксида кремния (8Ю2), % 98.5
Массовая доля оксида железа ^03), % 0.03
Массовая доля оксида алюминия (А1203), % 0.6
Таблица 2. Распределение масс частиц кристаллического диоксида кремния внутри исследуемых фракций
Фракция кварцевого песка, мкм Размер частиц, мкм Содержание, мас. %
100-200 100-125 9.2
125-160 35.3
160-180 25.3
180-200 30.2
200-315 200-250 60.1
250-315 39.9
315-400 315-400 100*
100-315 100-125 6.1
125-160 23.4
160-180 16.8
180-250 40.4
250-315 13.3
* Состав фракции определен ситовым анализом.
ров натриевого жидкого стекла с силикатным модулем m = n(SiO2)MNa2O) = 3 с приготовленным раствором алюмината натрия в массовом соотношении 7 : 3 соответственно.
В качестве пластификатора в формуемую смесь вводили порошок промышленного производства, состоящий из глин Новорайского и Гайдуковского месторождений, доломита, полевого шпата, трипо-лифосфата натрия и кварцевого песка. В качестве порообразователя использовали природный полисахарид (С6Н10О5)п. Пористость образцов рассчитывали по формуле:
П = (1 - Ркаж/Рист) X 100, (1)
где П - общая пористость образца (об. %, рист - истинная плотность (г/см3), ркаж - кажущуюся плотность. Истинную плотность образцов определяли пикнометрически путем погружения в бензол. Кажущуюся плотность определяли по объему бензола, вытесненного пропитанным водой образцом [1]. Водопоглощение материала определяли по увеличению массы образца при пропитке водой.
Предварительные исследования структурных характеристик пористой керамики проводили на образцах-таблетках (диаметр 18 мм, высота 12-14 мм), спрессованных на децимальном прессе ДП-36 ("Carl Zeiss", Германия) при односторонней осевой нагрузке. Давление прессования изменяли в диапазоне 15-100 МПа. Спекание образцов осуществляли в электрической печи сопротивления СНОЛ
7.2/1300 в воздушной среде при 850°С (время выдержки 3 ч). Скорость подъема температуры составляла 5°/мин.
Структуру керамических образцов исследовали при помощи растрового электронного микроскопа (1Е0Ь-5610Ь8). Распределение масс частиц по их размеру определяли седиментометром ФСХ-4.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 представлены фотографии излома пористого материала на основе кристаллического диоксида кремния, из которых следует, что в процессе структурообразования стеклообразное связующее практически полностью обволакивает каркасооб-разующие частицы диоксида кремния (рис. 1а). При этом разрушение материала под действием сжимающей нагрузки происходит преимущественно по стеклообразной фазе.
Детальное рассмотрение поверхности частицы диоксида кремния, контактировавшей со связующей фазой в процессе формирования материала (рис. 1б), а также сравнение ее с типичным видом поверхности исходной частицы диоксида кремния (рис. 1в), позволяет сделать вывод о том, что взаимодействие частицы 8Ю2 с алюмосиликатным связующим происходит по всей поверхности. Фаза, образовавшаяся на границе, имеет физические свойства, отличающиеся от свойств основных компонентов синтезированного материала. Ее пониженная прочность, приводящая к разрушению композита, может быть объяснена наличием на поверхности частиц диоксида кремния пассивирующих взаимодействие пленок, вредных примесей и т.д.
Для снижения отрицательного влияния поверхностных загрязнений частиц диоксида кремния на прочность получаемых материалов, а также с целью активации процесса взаимодействия наполнителя с вяжущим, была проведена предварительная химическая очистка диоксида кремния соляной кислотой с последующей многократной промывкой в воде. Как показали проведенные исследования, использование активированного таким образом порошка диоксида кремния позволяет повысить прочность пористого силикатного материала в среднем на 64%.
Как показали проведенные исследования, процесс спекания образцов в технологической печи с медленным контролируемым подъемом температуры позволяет дополнительно (более чем в два раза) повысить прочность материалов. Длительность процесса высокотемпературного взаимодействия компонентов в выбранной системе позволяет сместить начало реакций в области более низких температур и обеспечить полноту их протекания, что согласуется с существующими представлениями [2].
Известно, что прессование (как метод повышения плотности упаковки частиц) интегрально уве-
Рис. 1. Структура излома пористого силикатного материала на основе диоксида кремния (а, б) и поверхности исходной частицы диоксида кремния (в).
личивает кажущуюся плотность материала, и при прочих равных условиях является определяющим фактором, определяющим прочность изделий. В табл. 3 представлены результаты исследования зависимости характеристик полученных образцов от давления прессования, гранулометрического состава частиц диоксида кремния и содержания алюмо-силикатного связующего, спеченных при 850°С.
Сравнение полученных результатов выявило, что независимо от размера частиц наибольшей прочностью обладают образцы, сформованные при давлении 30 МПа, причем прочность образцов возрастет в диапазоне давлений 15-30 МПа, а затем монотонно снижается с дальнейшим ростом давления. Это объясняется тем, что до 30 МПа большинство частиц диоксида кремния сохраняют целостность. При этом прочность материала определяется количеством контактов, число которых возрастает с увеличением давления прессования. При давлении, превышающем 30 МПа, частицы начинают разрушаться. Интенсивность разрушения возрастает с увеличением давления прессования, что приводит к снижению прочности образцов. Исходя из вышеизложенного, оптимальным давлением формования для всех образцов является 30 МПа.
Анализ распределения масс частиц по размерам внутри всех фракций порошка диоксида кремния (табл. 2) показал, что взятые для исследований фракции диоксида кремния можно рассматривать практически как монодисперсные системы. Исключением является фракция 4, где размер частиц меняется в диапазоне 100-315 мкм. Она характеризуется полидисперсным составом: 6.1% частиц имеет размер 100-125 мкм; 80.6% составляют частицы ве-
личиной 125-250 мкм; на долю частиц с размером 250-315 мкм приходится 13.3%.
Из приведенных в табл. 3 экспериментальных данных видно, что с увеличением размера частиц прочность образцов заметно падает, что связано с уменьшением числа межчастичных контактов. Во-допоглощение керамики также снижается по мере перехода от образцов, приготовленных из мелкодисперсных частиц, к образцам на основе крупнодисперсного порошка.
Вместе с тем следует отметить, что образцы на основе полидисперсного порошка диоксида кремния (фракция 4) имеют большую механическую прочность, чем образцы на основе монодисперсных порошков. Это объясняется увеличением числа контактов между частицами, и возможными изменениями в морфологии
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.