CC BY
69
УДК 539.216; 539.22; 538.91-405; 548; 620.18
Каныгина О.Н., Кравцова О.С., Анисина И.Н.,
Четверикова А.Г., Сальникова Е.В., Достова Т.М., Ткаченко А.А.
Оренбургский государственный университет Е-mail: KR-727@mail.ru
ДИСПЕРСИОННЫЙ АНАЛИЗ МОНТМОРИЛЛОНИТОСОДЕРЖАЩЕЙ ГЛИНЫ ОРЕНБУРЖЬЯ
Проведен дисперсионный анализ монтмориллонитосодержащей глины Оренбуржья, основанный на ситовом анализе, седиментации и оптической микроскопии. Установлено, что разделение исследуемой глины по двум фракциям целесообразно. Из мелкодисперсной фракции при оптимизации режимов синтеза возможно получение микропористой керамики высокой плотности и прочности.
Ключевые слова: монтмориллонитосодержащая глина, дисперсионный анализ, седиментация, фракция.
Дисперсионный анализ монтмориллонитосодержащих глин Оренбуржья необходим для разработки технологий получения керамических материалов с заданными свойствами из дешевого местного сырья. Химический и фазовый составы определены ранее [1].
В настоящее время не существует универсального метода дисперсионного анализа, который может быть применен ко всем порошковым материалам. В каждом случае необходимо выбирать способ анализа дисперсной системы в зависимости от физико-химической природы порошков. Обычно дисперсность выражается функцией распределения размеров частиц и удельной поверхностью порошка. К прямым методам дисперсионного анализа относится непосредственное измерение размеров частиц с помощью микроскопии, к косвенным - гравитационная седиментация, позволяющая оценивать «площадь поверхности» непористых частиц» [2,3].
Метод седиментации базируется на законах движения твердых сферических частиц в вязкой среде при условии независимости их движения. Если частицы велики по сравнению с размерами молекул среды и длинами их свободного пробега, а расстояния между частицами и удаление от стенок сосуда значительно больше их размеров, то скорость частицы х определяется действием силы тяжести и сопротивлением среды, в конечном счете, числом Рейнольдса [2]. Для ламинарного течения Ке<<1, в нашем случае Ке~0.06, следовательно, в первом приближении можно использовать формулу Стокса:
и=2К^(ргр)/9п
здесь g - ускорение свободного падения, Я - размер частицы, п - динамическая вязкость среды, р1, р - плотность частиц и среды.
Скорость падения в жидкости частиц неправильной формы может существенно отличаться от скорости сферических, поэтому порошки с резко
анизометрическими формами частиц методами седиментации изучать не рекомендуется. Частицы минералов природных глин, имеют, как правило, изометрические формы, и за размер частицы можно принять диаметр эквивалентной по скорости падения сферической частицы (стоксовские размеры).
Для анализа дисперсного состава глины использовали метод электрофотоседиментации -определение размеров частиц путем измерения коэффициентов оптической плотности Б во времени Ь для суспензии определенной концентрации. Анализ зависимостей Б(Ь) позволяет получить информацию о размерах и количественных соотношениях частиц [2-4]. Оптическая плотность (поглощательная способность) раствора определяется по формуле:
Б= ^(10/1)= ^С1 где £, = дп; п - концентрация частиц, д - эффективное сечение поглощения (площадь частицы), пропорциональное вероятности поглощения кванта света; С - концентрация суспензии, 1 - толщина слоя.
По отношению скоростей уменьшения оптической плотности У=^Б./Л. для различных участков спектральных кривых Б(Ь) можно определить относительные размеры осевших частиц По отношению значений времени на каждом участке Ь - оценить «весовой коэффициент» каждой группы частиц.
Для выполнения закона Бугера-Ламберта-Бера и получения адекватных результатов необходимо выполнение следующих условий: 1) использование монохроматического света, 2) равномерное распределение частиц и одинаковый характер взаимодействия между ними в растворе [5,6]. Выполнение второго условия труднодостижимо из-за неоднородности частиц по размерам, форме, плотности и цвету. Однако полуколиче-ственные оценки соотношений размеров и содержания частиц сделаны после тщательной отработ-
ки методик эксперимента с учетом ограничения их применения. Для исследования растворов использовали фотометрический метод (колориметр типа КФК-2). При одинаковых фазовых и химических составах частиц, концентрациях раствора С и толщинах слоев 1 изменение оптической плотности dБ определяется количеством частиц и их размерами. Экспериментальные исследования проведены в следующем порядке.
1. Гранулометрический анализ подситовых фракции порошков, результаты которого представлены в таблице 1.
В монтмориллонитосодержащей глине преобладают две фракции, начиная с 0.63 мм. Необходи-
Таблица 1. Гранулометрический состав глины
Размеры частиц, мм 1-0,63 0,63-0,16 0,16-0,04 <0,04
Содержание, % (масс.) 1 68 30 1
1 -I-------------1--------------1-------------1-------------1
нм
400 500 600 700 800
Рисунок 1. Спектры поглощения водных растворов для фракций А(0.63-0.16 мм), В(0.16 -0.04 мм) и С (менее 40 мкм)
мо отметить, что на результатах существенно сказывается агломерация мелких частиц, неизбежная при сухом рассеве, поэтому ситовый анализ не дает надежной информации о содержании тонкодисперсных частиц размером менее 40 мкм. Кроме того, остается неизвестным распределение частиц по размерам внутри каждой из фракций. Для максимальной дезинтеграции необходима достаточно вязкая среда, хорошо смачивающая частицы. Согласно [2,3], из всех исследованных жидкостей только вода обладает универсальной способностью к дезагрегации порошков, особенно кварца, бентонита и корунда. Эффективная дезагрегация наблюдается при содержании воды, обеспечивающей толщину прослоек воды порядка 100 монослоев (0.02-0.03 мкм).
2. Анализ спектров поглощения растворов глиняных порошков различных фракций; определение значений лтах, при которых параметры Б и е достигают максимума.
Спектры поглощения, полученные для водных растворов с концентрацией частиц С=1% (масс.), приведены на рис.1. Оптическая плотность раствора фракции С имеет максимальную плотность и два максимума. Тонкодисперсные частицы фракции С в воде образуют мутную среду, интенсивно рассеивающую свет. Очевидно, фракция содержит в большом количестве частицы, соизмеримые с длиной волны. Известно, что если частицы меньше 0.2л, то образуются мутные среды, интенсивно рассеивающие свет согласно закону Рэлея: 1~1/л4 [6]. Седиментацию суспензии фракции С не наблюдали. Для растворов фракций А и В наблюдается максимум значений Б при л=420 нм; причем лучше он выражен для крупной фракции А.
3. Дисперсионный анализ глины.
Для фракций А и В (0.63-0.16 и 0.16-0.04 мм) наблюдается линейная зависимость коэффициентов оптической плотности от концентрации в пре-
1,5
1,2
0,9
D, о.е.
0,3
Рисунок 2. Седиментационные кривые для порошков нативной глины (а); результаты дисперсионного анализа (б)
Каныгина О.Н. и др. Дисперсионный анализ монтмориллонитосодержащей глины Оренбуржья
делах от 0.6 до 6% Б(С). С целью увеличения времени осаждения частиц использовали 20%-ный (масс.) раствор соли №С1 в дистиллированной воде, седиментацию вели при комнатной температуре. Аппроксимируя данные методом наименьших квадратов, построили седиментационные кривые нативных порошков, описываемые полиномиальными функциями с высокой достоверностью (рис.2а). Видно, что время осаждения частиц крупной фракции до 0.3 в два раза меньше.
В нативных порошках в воде идет активная дезагрегация, в течение первых 2 минут кривые слабо разделяются. Затем начинает доминировать процесс осаждения частиц и на кривых можно выделить линейные участки, соответствующие разным скоростям, по длине этих участков определены весовые доли каждой группы частиц (рис.2б). В обеих фракциях выделены три группы частиц (1, 2, 3). В фракции А частицам с относительными диаметрами 8А 1.0, 0.2 и 0.1 (400, 80 и 40мкм), соответствует объемная доля уЛ 0.45, 0.35 и 0.2. Фракция В содержит частицы с относительными размерами 0.25, 0.15, 0.1 и весовыми долями 0.6, 0.3, 0.1. Отношение средне-
статистических диаметров частиц составило 8Л/8В = 1.7, а удельных поверхностей порошков - 0.65.
Методами количественной оптической микроскопии (произвольной секущей и площадей) определены средние размеры частиц в обеих фракциях. При выборке 1000 измерений средняя погрешность составила около 10%. Установлено, что диаметры частиц фракции А изменяются в пределах от 400±50 до 40±5 мкм. Эти результаты хорошо согласуются с данными, полученными методом седиментации, однако седиментация оказывается более чувствительным и статистически достоверным способом исследования распределения отдельных групп частиц внутри фракции.
Вывод: Получена полезная информация о фракциях глинистых порошков как о дисперсных системах, что существенно поможет отработке режимов синтеза керамики. Можно при одних и тех же режимах синтеза, используя различия в значениях удельных поверхностных энергий нативных фракций, расширить спектр микроструктур керамики, различающихся размерами пор и зерен, прочностью межзеренных границ.
07.09.11
Список литературы:
1. Каныгина О.Н., Четверикова А.Г., Лазарев Д.А., Сальникова Е.В. Высокотемпературные фазовые превращения в железосодержащих глинах Оренбуржья //Вестник Оренбургского государственного университета. - 2010г.- №6 (112).-С.113-118.
2. Ходаков Г.С., Юдкин Ю.П. Седиментационный анализ высокодисперсных систем. М.: Наука, 1980, -344 с.
3. Ходаков Г.С. Современные методы измерения дисперсности промышленных порошков и суспензий. //Заводская лаборатория.- 1988.-№7.-С.12-17.
4. Каныгина О.Н. Физические аспекты термостойкости оксидной керамики. - Бишкек, КРСУ.-2003.-192с.
5. Коузов П.А. Основы анализа дисперсионного состава промышленных пылей и измельченных материалов. М.: Химия, 1971.
6. Ремизов А.Н., Потапенко А.Я. Курс физики, М.: Дрофа, 2004, 720 с.
Сведения об авторах:
Каныгина Ольга Николаевна, декан физического факультета Оренбургского государственного университета, доктор физико-математических наук,
профессор, e-mail: onkan@mail.ru Кравцова Ольга Сергеевна, ассистент кафедры общей физики Оренбургского государственного университета Анисина Инга Николаевна, аспирант кафедры общей физики Оренбургского государственного университета, e-mail: anisina-inga@yandex.ru Четверикова Анна Геннадьевна, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей физики Оренбургского государственного университета, доцент, e-mail: KR-727@mail.ru Сальникова Елена Владимировна, кандидат химических наук, доцент кафедры химии Оренбургского государственного университета, доцент, e-mail: salnikova_ev@mail.ru Достова Татьяна Максимовна, студентка Оренбургского государственного университета Ткаченко Анна Анатольевна, студентка Оренбургского государственного университета
460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13
Kanygina O. N, Kravtzova O.S., Anisina I.N., Chetvertikova A.G., Salnikova E.V., Dostova T.M.,Tkachenko A.A.
Dispersive analysis МОНТМОРИЛЛОНИТОСОДЕРЖАЩЕЙ of clay of Orenburzhye
The dispersive analysis montmorillonite-bearing clay of Orenburzhye, based on screen fractionation, sedimentation and optical microscopy is carried out. It is established that division of investigated clay on two fractions is expedient. From low-dispersed fractions by optimization of modes of synthesis probably reception of microporous ceramics of high density and durability.
Key words: montmorillonite-bearing clay, the dispersive analysis, sedimentation, fraction.
