CC BY
51
УДК 546.05
Р. Г. Романова, А. Ф. Дресвянников, А. Р. Абдуллина СОСТАВ ОКСИДНЫХ КРЕМНИЙСОДЕРЖАЩИХ НАНОДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ, СИНТЕЗИРОВАННЫХ ПО МИЦЕЛЛЯРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Ключевые слова: химический состав, прекурсоры кордиеритовой керамики, диоксид кремния, мицеллярная
технология.
Химическими и термическими методами установлен состав нанодисперсных оксидных систем на основе диоксида кремния, полученных по мицеллярной технологии
Keywords: chemical composition, precursors of cordyerite ceramics, silicon dioxide, micellar technology
The composition nanodispersed oxides of systems on the basis of a dioxide of the silicon, received on micellar technology, are established by chemical and thermal methods
Керамические материалы все шире используются в технике. Разнообразие областей применения керамических изделий основывается на их характерных свойствах, которые во многих отношениях недостижимы для других материалов. В настоящее время проявляется всё более значительный интерес к кордиеритовой керамике. Актуальность этого материала обусловлена рядом её ценных свойств, таких, как низкий температурный коэффициент линейного расширения, способность противостоять резким перепадам температур, высокая химическая стойкость, диэлектрические свойства [1].
Кордиеритовая керамика представляет собой сложное соединение в системе МдО-А^Оз-SiO2, получаемое из формовочной массы заданного химического состава из минералов и оксидов металлов. Ее свойства находятся в зависимости от взаимосвязанных между собой параметров: химического и фазового составов, макро- и микроструктуры, а также технологических приемов изготовления [1-4].
Перспективным методом получения высокодисперсных прекурсоров кордиеритовой керамики, в частности, диоксида кремния, является синтез с использованием мицеллярной технологии. Ранее нами был проведен синтез диоксида кремния в мицелярной системе, представляющей собой мезофазу поверхностно-активного вещества с дифильным строением в органическом растворителе [5-7]. Показано, что сформированные в процессе синтеза гели диоксида кремния представляют собой коллоидную дисперсную систему, образованную как раздельными, так и коагуляционными фазами. При термической обработке оксидов с использованием таких нанодисперсных частиц формируются структуры, обеспечивающие однородное уплотнение, способствующее более полному и быстрому фазовому переходу в кордиерит при более низких температурах.
В настоящей работе представлены результаты определения состава образцов, полученных по мицеллярной технологии. Образцы были получены по описанной в работе [5] методике с использованием в качестве сырья растворов жидкого калиевого и натриевого стекла (ЖС) различной концентрации. После осаждения полученные образцы промывали большим количеством воды и впоследствии подвергали предварительной сушке при температуре 90 0С в течение 3-х часов. Для определения содержания воды в составе образцы высушивали до постоянной массы при температуре 1050С и прокаливали при температуре 10000С. Условия получения образцов и результаты прокаливания приведены в таблице 1.
Определение содержания диоксида кремния проводили гравиметрическим методом после разложения пробы сплавлением с безводным карбонатом, выщелачивания плава и последующего осаждения кремнекислоты желатиной при нагревании из полученного раствора. Определение содержания калия и натрия проводили методом пламенной фотометрии. Результаты определения содержания оксидов кремния и щелочного металла, а также структурной воды приведены в таблице 2.
Таблица 1 - Условия получения и потери при прокаливании синтезированных образцов
Шифр образца Жидкое стекло, используемое в синтезе Концентрация жидкого стекла, моль/л Потери при высушивании и прокаливании при температуре, % мас.
105 0С 1000 0С
1 N828103 2,19 7,06 16,96
2 N828103 3,65 6,89 17,48
3 N828103 7,30 4,87 18,92
4 К28Ю3 1,31 5,24 14,29
5 К28Ю3 2,18 5,97 13,75
6 К28Ю3 4,36 8,94 17,66
Таблица 2 - Химический состав синтезированных образцов
Шифр образца ю, % в сухом веществе П, моль в 100 мг вещества Состав, моль БЮ2 : М2О* : Н2О
ЭЮ2 N820 К2О Э102 N820 Н2О К2О
1 59,10 23,61 - 0,9850 0,3808 0,9422 - 1,00 : 0,39 : 0,96
2 58,10 23,75 - 0,9683 0,3831 0,9711 - 1,00 : 0,39 : 1,00
3 57,40 24,38 - 0,9567 0,3932 1,0511 - 1,00 : 0,41 :1,10
4 63,70 - 20,90 1,0617 - 0,7939 0,3374 1,00 : 0,32 : 0,75
5 63,83 - 21,23 1,0638 - 0,7639 0,3424 1,00 : 0,32 : 0,72
6 59,70 - 21,16 0,8783 - 0,9811 0,3413 1,00 : 0,34 : 0,99
* Соответствующий ион щелочного металла.
Структура геля представляет собой совокупность связанных друг с другом элементарных частиц приблизительно сферической формы с диаметром около 1000 нм. Элементарная частица представляет собой нерегулярную трехмерную сетку из тетраэдров 8104, где каждый атом кремния соединен с четырьмя атомами кислорода, а каждый атом кислорода- с двумя атомами кремния.
Основным фактором, определяющим величину поверхности и размеры частиц, является размер элементарных частиц. В водных растворах размеры элементарных частиц зависят от скорости и длительности конденсации кремниевой кислоты.
В случае протекания реакции в «нанореакторе» размеры элементарных частиц будут определяться размерами мицелл, т. е. будут находиться в зависимости от природы реагентов и условий проведения реакции. Ограничения в размерах мицелл накладывают ограничения и на размеры элементарных частиц золя диоксида кремния, что отражается на плотности гидратированного слоя вокруг молекулы 8Ю2.
Как видно из данных таблицы 2, при использовании каприновой кислоты в качестве мицеллообразователя на 1 моль диоксида кремния приходится 1 молекулы воды для образцов,
полученных с использованием натриевого ЖС. Гидратная оболочка меньшего размера наблюдается при использовании калиевого ЖС с концентрацией до 2,18 моль/л: на 1 молекулу 8Ю2 приходится 0,7 молекул воды. Обнаруженные различия могут быть обусловлены природой жидкого стекла. Снижение содержания воды в составе коагеля представляется очень важным моментом в синтезе диоксида кремния как прекурсора технической керамики, т. к вода играет отрицательную роль при формировании фаз керамических материалов в процессе термической обработки.
Результаты химического анализа исследованных образцов свидетельствуют о том, что концентрация растворов ЖС, как калиевого, так и натриевого, практически не влияет на содержание щелочного металла в составе продукта синтеза. В то же время, абсолютное содержание этих ионов при использовании калиевого ЖС ниже по сравнению с натриевым. На основании полученных результатов сделаны выводы о неполном протекании реакции ионного обмена в процессе синтеза по предложенной методике и предложены рекомендации по последующему удалению ионов щелочных металлов из полученных нанодисперсных систем путем кислотной или электрохимической отмывки.
Исследование выполнено в рамках госконтракта №16.552.11.7012 в рамках федеральной целевой программы «Развитие центром коллективного пользования научным оборудованием комплексных исследований в области создания композиционных полимерных и керамических материалов на основе наночастиц, полученных электрофизическими, электрохимическими, сверхкритическими флюидными методами».
Литература
1. Зинько, Э.И. Электроизоляционная техническая керамика / Э.И. Зинько, И.А., Светкова. - М.: Стройиздат, 1968. - 243с.
2. Березин, В.Б. Электротехнические материалы./ В. Б. Березин, Н. С. Прохоров, Г. А. Рыков,
A. М. Хайкин. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 504 с.
3. Балкевич, В.Л. Техническая керамика./ В.Л. Балкевич. - М.: Стройиздат, 1984. - 256 с.
4. Хабас, Т.А. Синтез керамических прекурсоров кордиерит-нитридного состава /Т.А.Хабас // Огнеупоры и техническая керамика. - 2004. №12. - С. 5 - 13.
5. Романова, Р.Г. Мицеллярный синтез и свойства нанодисперсного диоксида кремния / Р.Г. Романова, А.Ф. Дресвянников, О.В.Кузьмина, А.М.Губайдуллина, В.А.Гревцев //Вестник Казан. технол. ун-та..- 2010.-№ 8. -С.448-451.
6. Романова, Р.Г. Керамические материалы, синтезированные методом искрового пламенного спекания / Р.Г. Романова, В.Н.Доронин, Н.И.Наумкина, А.Ф. Дресвянников, А.Р.Абдуллина // Вестник Казан. технол. ун-та. -2011. - Т. 14, №11 . - С. 34-38.
7. Романова, Р. Г. Свойства кремнийалюмомагниевых прекурсоров кордиеритовой керамики, полученных по мицеллярной технологии /Р.Г. Романова, А.Ф. Дресвянников, А.М.Губайдуллина,
B.А.Гревцев //Вестник Казан. технол. ун-та..- 2011. - Т. 14, № 11. -С.260-262.
© Р. Г. Романова - канд. хим. наук, доц. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КГТУ, [email protected]; А. Ф. Дресвянников - д-р хим. наук, проф. той же кафедры; А. Р. Абдуллина - магистр КГТУ.
