CC BY
7
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION.
TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 4
Научная статья УДК 539.23
doi: 10.17213/1560-3644-2022-4-111-115
РАСШИРЕНИЕ И КОАЛЕСЦЕНЦИЯ СИЛИКАТНЫХ РАСПЛАВОВ ПРИ ГИДРАТНОМ МЕХАНИЗМЕ ГАЗООБРАЗОВАНИЯ
Л.А. Жикина1, А.А. Кетов1, М.П. Красновских2, А.М. Минкин2, Е.А. Яценко3, Ю.В. Новиков3
'Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь, Россия, 2Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь, Россия, 3Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия
Аннотация. Кварцевое стекло все чаще используют для изготовления волоконно-оптических датчиков различного назначения, температуры эксплуатации которых достигают значений выше 500 °С. В таких случаях использование обычных способов закрепления оптического волокна с помощью органического клея неприемлемо. Некоторые типы наконечников волоконно-оптических соединителей для таких датчиков предусматривают создание газоплотного уплотнения кольцевого канала между кварцевыми деталями. Для решения этой задачи необходимо создание расширяющихся при термообработке силикатных композиций. Рассмотрены условия газообразования и поведения в термопластичных условиях силикатных расплавов различного происхождения. Для исследования внутренней структуры полученных силикатных композиций использовали метод сканирующей электронной микроскопии. Описаны процессы расширения и коалесценции силикатных расплавов при гидратном механизме газообразования. Предложено техническое решение по созданию газоплотных наконечников волоконно-оптических соединителей.
Ключевые слова: газообразование, силикатный расплав, коалесценция пены, волоконно-оптический соединитель
Для цитирования: Жикина Л.А., Кетов А.А., Красновских М.П., Минкин А.М., Яценко Е.А., Новиков Ю.В. Расширение и коалесценция силикатных расплавов при гидратном механизме газообразования // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2022. №° 4. С. 111-115. http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2022-4-111-115
Original article
EXPANSION AND COALESCENCE OF SILICATE MELTS UNDER THE HYDRATE MECHANISM OF GAS FORMATION
L.A. Zhikina1, A.A. Ketov1, M.P. Krasnovskikh2, A.M. Minkin2, E.A. Yatsenko3, Yu. V. Novikov3
'Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russia, 2Perm State National Research University Perm, Russia, 3Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia
Abstract. Quartz glass is increasingly used for the manufacture offiber-optic sensors for various purposes, the operating temperatures of which reach values above 500 C. In such cases, the use of conventional methods for fixing optical fibers with organic adhesives is unacceptable. Whereas some types offiber optic connector tips for such sensors provide for the creation of a gas-tight seal of the annular channel between the quartz parts. To solve this problem, it is necessary to create silicate compositions that expand during heat treatment. The conditions of gas formation and behavior of silicate melts of various origins under thermoplastic conditions are considered. Scanning electron microscopy was used to study the internal structure of the obtained silicate compositions. The processes of expansion and coalescence of silicate melts under the hydrate mechanism of gas formation are described. A technical solution for the creation of gas-tight tips offiber-optic connectors is proposed.
Keywords: gas formation, silicate melt, foam coalescence, fiber optic connector
For citation: Zhikina L.A., Ketov A.A., Krasnovskikh M.P., Minkin A.M., Yatsenko E.A., Novikov Yu.V. Expansion and Coalescence of Silicate Melts under the Hydrate Mechanism of Gas Formation. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki=Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2022; (4):111—115. (In Russ.) http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2022-4-111-115
© ЮРГПУ (НПИ), 2022
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION.
Введение
Качество оптического соединения напрямую зависит от используемого при сборке коннектора наконечника (ферулы). При изготовлении соединителя оптическое волокно обычно закрепляется в наконечнике с помощью органического клея, но для датчиков, работающих при повышенных температурах, такое решение неприемлемо. В этом случае необходимо применение неорганических материалов, а для соединения кварцевых деталей идеально подходят различные виды силикатных композиций, которые необходимо нанести на соединяемые поверхности в виде пленок [1].
В результате золь-гель перехода крем-нийорганических соединений, катализируемого различными соединениями, на поверхности кварцевых деталей получается устойчивая пленка гидратированного оксида кремния [2]. Однако известное техническое решение обладает рядом существенных недостатков, связанных как с необходимостью применения крем-нийорганических соединений, так и усадкой пленки при термообработке.
Для предотвращения усадки связующей композиции в процессе термообработки необходим подбор расширяющейся композиции. Последнее условие обеспечивается газообразованием в силикатном расплаве. Поэтому создание силикатных пен выступает перспективным направлением для решения практической задачи создания волоконно-оптических соединителей, работающих при повышенных температурах.
Простейшим вариантом вспенивания силикатной композиции является удаление из нее связанной воды при повышенной температуре [3]. Наличие в исходной композиции углерода приводит к его окислению при высоких температурах парами воды и росту объемов выделяющихся газов. Применение водорастворимых органических соединений способствует образованию более качественной пены вследствие получения высокодисперсного углерода при пиролизе органического соединения [4].
Полученная силикатная пена термодинамически неустойчива, как любая макродисперсная система, и способна коалесцировать особенно при повышенных температурах. В общем, пены как макрогетерогенные системы, образованные жидкостью и газом, неизбежно разрушаются со временем в соответствии с известными закономерностями [5]. Коалесценция подразумевает разрыв пленок между пузырьками и включает в себя
TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 4
вклад гидродинамики, реологии поверхности, поверхностных сил и тепловых флуктуаций [6]. Силикатная пена не является исключением, и когда при высоких температурах происходит переход в расплавленное состояние, вязкость расплава уменьшается, и силикатная пена разрушается, как и любая другая пена. Поэтому силикатный расплав в процессе эволюции при высоких температурах не только растет, но в дальнейшем разрушается [7]. Следовательно, при создании газонаполненных композиций, уплотняющих волоконно-оптические соединители кварцевых деталей, необходимо учитывать возможность разрушения уплотнения в результате коалесценции пены при повышенных температурах.
Задача данного исследования - рассмотреть условия роста и дальнейшую коалесценцию силикатных пен с целью применения их для соединения волоконно-оптических кварцевых деталей.
Материалы и оборудование
Термогравиметрический анализ образцов проводили на приборе TG-DSC-MS Netzsch (Germany), синхронно с масс-спектроскопией, в атмосфере воздуха со скоростью нагрева 10 °С/мин. Применяли электронный микроскоп Hitachi S-3400 N.
Исходные композиции для получения силикатных пен получали порошковым и золь-гель методом. В обоих случаях композиции содержали 5 % по массе сахара, как водорастворимого органического соединения для увеличения газообразования.
Результаты и обсуждение
Композиции, полученные термообработкой обоих типов образцов при 720 °С, представляют собой ячеистые структуры. Для порошкового образца плотность материала составляет 180 кг/м3, для гелевого - 90 кг/м3. Результаты исследований сканирующей электронной микроскопии демонстрируют причину такого существенного отличия. Перемычки между ячейками для порошкового образца составляют 10^20 мкм (рис. 1), в то время как для гелевого 0,4^0,6 мкм (рис. 2).
Во втором случае малая толщина перемычек и наличие в них деффектов вызывают потенциальное опасение на возможность обеспечения газоплотности волоконно-оптических соединений. Тем не менее, потенциально обе композиции могут быть применимы для уплотнения зазоров между кварцевыми деталями. Поэтому было исследовано термическое поведение обоих образцов (рис. 3).
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION.
TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 4
Рис. 1. Микрофотография ячеистого силиката, полученного из порошковой композиции / Fig. 1. Micrograph of a cellular silicate obtained from a powder composition
Рис. 2. Микрофотография ячеистого силиката, полученного из гелевой композиции / Fig.2. Photomicrograph of a cellular silicate obtained from a gel composition
Рис. 3. Результаты термогравиметричекого анализа в атмосфере воздуха, синхронного с масс-спектрометрией для m/z = 44, порошковой заготовки / Fig.3. Results of thermogravimetric analysis in air, synchronous with mass spectrometry for m/z = 44, of a powder blank
Очевидно, что процесс дегидратации протекает на всем исследованном температурном интервале, а при 620^720 °С дополнительно происходит выделение карбонатного углекислого газа, образовавшегося, вероятно, при пиролизе сахара с образованием карбонатов.
Наличие на кривой ДСК эндотермического эффекта, непосредственно предшествующего выделению углекислого газа в указанной области, свидетельствует в пользу процесса разложения карбонатов.
При температурах выше 880 °С начинается коалесценция структуры, сопровождающаяся разрушением ячеек, выделением в газовый поток оксида углерода (II) и интенсивными короткими экзотермическими пиками на кривой ДСК и соответствующими им пиками на кривой ионного тока углекислого газа m/z = 44 при окислении оксида углерода (II) до оксида углерода (IV) кислородом воздуха.
Данный эффект характерен для разрушения силикатных пен, что доказано ранее [8]. Поэтому применение силикатных пен для уплотнения волоконно-оптических соединений при температурах выше 880 °С представляется нецелесообразным.
Аналогичные эффекты наблюдаются при термообработке гелевой заготовки (рис. 4).
Рис. 4. Результаты термогравиметричекого анализа в атмосфере воздуха, синхронного с масс-спектрометрией для m/z = 44, гелевой заготовки / Fig.4. Results of thermogravimetric analysis in air, synchronous with mass spectrometry for m/z = 44, of a gel preform
Эффект диссоциации карбонатов и окисления оксида углерода (II) проявляются в меньшей степени, чем для порошковой заготовки, но, тем не менее, очевидно, что процесс роста и разрушения пены в обоих случаях идентичен.
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION.
Заключение
По результатам исследований установлено, что полученные порошковым и золь-гель методом силикатные пены коалесцируют при температуре более 880 °С. Пена, полученная золь-гель методом, наименее подвержена коалесценции при высоких температурах ввиду более мелких ячеек с перемычками 0,4^0,6 мкм, в отличие от порошковой силикатной пены с размером перемычек 10^20 мкм. Данные способы сборки оптического коннектора допустимо применять в волоконно-оптических датчиках при условии их эксплуатации ниже 600 °С.
Список источников
1. Shilova O.A. 'Spin-on glass' Films for Semiconductor Technology // Surface Coatings International Part B: Coatings Transactions. 2003. Vol. 86. P. 195-202.
2. Яночкин П. С. Методика получения и исследование морфологии поверхности тонкоплёночных золь-гель покрытий на основе органических соединений кремния // Исследования и разработки в области машиностроения, энергетики и управления: материалы XVIII междунар. науч.-техн. конф.
TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 4
студентов, аспирантов и молодых ученых Респ. Беларусь, Гомель, 26-27 апр. 2018 г. Гомель: ГГТУ им. П. О. Сухого 2018. С. 192-195.
3. Вайсман Я.И., Кетов А.А., Кетов Ю.А., Слесарев М.Ю. Кинетика расширения ячеистого стекла в термопластичном состоянии при гидратном механизме газообразования // Физика и химия стекла. 2017. Т. 43, № 4. С. 43-50.
4. Гольцман Б.М., Яценко Е.А., Гольцман Н.С., Яценко Л.А., Трофимов С.В. Интенсификация вспенивания силикатных материалов путем введения дополнительного порообразо-вателя // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2021. № 2. С. 81-86.
5. Bhakta A., Ruckenstein E. Decay of Standing Foams: Drainage, Coalescence and Collapse // Advances in Colloid and Interface Science. 1997. Vol. 70 P. 1-124.
6. Langevin D. Coalescence in Foams and Emulsions: Similarities and Differences // Current Opinion in Colloid & Interface Science. 2019. Vol. 44. P. 23-31.
7. Luksic S.A., Pokorny R., George J., Hrma P., Varga T, Reno L.R., Buchko A.C., Kruger A. A. In Situ Characterization of Foam Morphology During Melting of Simulated Waste Glass Using X-Ray Computed Tomography // Ceramics International. 2020. Vol. 46, № 11. P. 17176-17185
8. Ketov A., Rudakova L., Vaisman I., Ketov I., Haritonovs V., Sahmenko G. Recycling of Rice Husks Ash for the Preparation of Resistant, lightweight and Environment-Friendly Fired Bricks // Construction and Building Materials. 2021. Vol. 302. P. 124385.
References
1. Shilova O.A. 'Spin-on Glass' Films for Semiconductor Technology. Surface Coatings International Part B: Coatings Transactions. 2003; (86):195-202. (In Russ.)
2. Yanochkin P.S. Method for Obtaining and Studying the Surface Morphology of Thin-Film Sol-Gel Coatings Based on Organic Silicon Compounds. Sci.-Tech. Conf. Students, Graduate Students and Young Scientists Rep. Belarus, Gomel, 26-27 April 2018 Gomel: GSTU im. P. O. Sukhoi 2018. P. 192-195.
3. Vaisman Ya. I., Ketov A. A., Ketov Yu. A., Slesarev M. Yu. The Expansion Kinetics of Cellular Glass in the Thermoplastic State under the Hydrated Mechanism of Gas Formation. Glass Physics and Chemistry. 2017; 43(4):43-50. (In Russ.)
4. Goltsman B.M., Yatsenko E.A., Goltsman N.S., Yatsenko L.A., Trofimov S.V. Intensification of Foaming of Silicate Materials by Introducing an Additional Foaming Agent. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki=Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2021; (2):81-86. (In Russ.).
5. Bhakta A., Ruckenstein E. Decay of Standing Foams: Drainage, Coalescence and Collapse. Advances in Colloid and Interface Science. 1997; (70):1-124.
6. Langevin D. Coalescence in Foams and Emulsions: Similarities and Differences. Current Opinion in Colloid & Interface Science. 2019; (44):23-31.
7. Luksic S.A., Pokorny R., George J., Hrma P., Varga T., Reno L.R., Buchko A.C., Kruger A. A., In Situ Characterization of Foam Morphology During Melting of Simulated Waste Glass Using X-Ray Computed Tomography. Ceramics International. 2020; 46(11): 17176-17185.
8. Ketov A., Rudakova L., Vaisman I., Ketov I., Haritonovs V., Sahmenko G. Recycling of Rice Husks Ash for the Preparation of Resistant, Lightweight and Environment-Friendly Fired Bricks. Construction and Building Materials. 2021; (302): 124385.
Сведения об авторе
Жикина Людмила Алексеевна - аспирант, кафедра «Охрана окружающей среды», lusyzh@gmail.com
Кетов Александр Анатольевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Охрана окружающей среды», alexander_ketov@mail.ru Красновских Марина Павловна - канд. техн. наук, ст. преподаватель, кафедра «Неорганическая химия, химическая технология и техносферная безопасность», krasnovskih@yandex.ru
Минкин Александр Михайлович - канд. техн. наук, ст. преподаватель, кафедра «Физическая химия», minkin.90@gmail.com
Яценко Елена Альфредовна - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Общая химия и технология силикатов», e_yatsenko@mail.ru
Новиков Юрий Владимировичв - магистрант, инженер лаборатории «Рециклинг отходов топливной энергетики», novikovtnv@yandex.ru
JSSN1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 4
Information about the author
Zhikina Liudmila A. - Graduate Student, Department «Environmental Protection», lusyzh@gmail.com
Ketov Alexander A. - Doctor of Technical Science, Professor, Department «Environmental Protection», alexander_ketov@mail.ru
Krasnovskikh Marina P. - Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer, Department «Inorganic Chemistry, Chemical Technology and Technosphere Safety», krasnovskih@yandex.ru
Minkin Aleхandеr M. - Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer, Department «Physical Chemistry», minkin.90@gmail.com Yatsenko Elena A. - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department «General Chemistry and Technology of Silicates», e_yatsenko@mail.ru
Novikov Yury V. - Master Student, engineer of the laboratory «Fuel Energy Waste Recycling», novikovtnv@yandex.ru
Статья поступила в редакцию /the article was submitted 12.09.2022; одобрена после рецензирования /approved after reviewing 27.09.2022; принята к публикации / acceptedfor publication 30.09.2022.
