способ получения тонкодисперсного кристаллического порошка синтетического минерала

Формула изобретения

Способ получения тонкодисперсного кристаллического порошка синтетического материала, включающий варку стекла, его термообработку и помол, отличающийся тем, что после стадии варки из стекла получают волокно, а после стадии помола растворяют стеклофазу и выделяют кристаллический порошок.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области химической промышленности и может быть использовано для получения тонкодисперсных кристаллических материалов, в частности, модифицирующих наполнителей полимеров, бумаги, красок, лаков, резин, функциональной керамики и других композиционных материалов. Известен способ получения тонкодисперсного кристаллического порошка под названием "Синопал" /Обз. инф. Промышленность строительных материалов. ВНИИЭСМ. 1989, Серия 5, вып. 2, с.55/, выбранный в качестве прототипа, включающий получение стекла гранулирование его выработкой в воду, термообработку полученного гранулята с последующим помолом полученного продукта. В результате получают наполнитель для строительных красок, состоящий, главным образом, из силикатов кальция, галенита и экерманита.

Однако известный способ имеет следующие недостатки: длительность термообработки гранулята, необходимость использования для помола износостойкого оборудования, сложность получения чистых продуктов из-за намола материалов оборудования и сложность достижения высокой тонины помола. Кристаллы игольчатой формы, которые представляют ценность, при традиционном помоле практически не сохраняются, поскольку происходит их раздавливание, в результате того, что игольчатые кристаллы хаотически налагаясь друг на друга, ломаются, при этом до 90-95 - волластонита представлено частицами изометрической формы. Сохранение игольчатого габитуса кристаллов является значительной проблемой, решение которой пытаются найти, используя дезинтеграторы и фрикционные мельницы. Кроме того, в полученном продукте велика доля некристаллической аморфной фазы, которая является химически более активной и механически менее прочной по сравнению с кристаллической, что определяет скорость износа полученных материалов, а также, влияет на изменение цвета красок и пластмасс в процессе эксплуатации.

Задача изобретения состоит в повышении выхода частиц с естественной формой кристаллов и чистоты продукта, а также в сокращении продолжительности процесса и снижении энергозатрат.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения тонкодисперсных кристаллических порошков синтетических минералов включавшем получение стекла, его термообработку и помол, согласно изобретению, из стекла получают волокно, которое затем подвергают термообработке для кристаллизации, помолу и химобработке для разделения минеральных фаз.

Предлагаемый способ получения тонкодисперсных кристаллических порошков синтетических минералов позволяет снизить затраты на помол исходных материалов, при котором длительное воздействие мелющих тел является фактором загрязнения производимого сырья. Сохраняется естественный габитус кристаллов, что невозможно при традиционных методах помола вследствие раздавливания частиц друг другом в условиях длительного воздействия мелющих тел.

Сокращение продолжительности помола способствует исключению этих негативных факторов, что может быть достигнуто при использовании для получения тонкодисперсных кристаллических порошков соответствующих волокон, которые, в большинстве случаев, по своим размерам, за исключением длины, соответствуют требованиям предъявляемым к микропорошкам.

Волокна получают обычно в аморфном состоянии (стекловолокна) и они обладают высокими механическими свойствами. Причем, в технологии получения волокон стремятся исключить все факторы, снижающие механическую и химическую их стойкость. Широко известно, что термообработка, например, стекловолокон резко снижает их механическую прочность. После термообработки волокна становятся за счет кристаллизации хрупкими и могут быть разрушены в традиционных шаровых мельницах. При этом интенсивное разрушение происходит до тех пор, пока сырье представлено, в основном, удлиненными частицами.

Кроме того, волокна, благодаря большой свободной поверхности, интенсивно могут быть разрушены агрессивными растворяющими средами, причем это разрушение может быть селективным на молекулярном или минеральном уровне.

Указанные недостатки волокон с успехом использованы в предлагаемом техническом решении при получении тонкодисперсных кристаллических порошков минералов.

Помимо вышеизложенного, проведение термообработки с целью кристаллизации исходного продукта в предлагаемом техническом решении может быть осуществлено со значительно большими скоростями, нежели при кристаллизации массивных частиц и образцов за счет легкой прогреваемости волокон, а также увеличения, как правило, скорости самой кристаллизации под влиянием условий, возникающих на границах раздела фаз, представленных поверхностями с большой кривизной. Это позволяет в некоторых случаях отказаться от использования катализаторов кристаллизации. В других случаях поперечные размеры волокон лимитируют размеры образующихся кристаллов, что при получении тонкодисперсных порошков является положительным обстоятельством. Кристаллизация, в силу вышесказанного, волокон происходит при температуре на 300-400^oС ниже по сравнению с массивными частицами и образцами.

Предлагаемый способ получения тонкодисперсных кристаллических порошков синтетических минералов реализован следующим образом.

Пример 1. Способ получения тонкодисперсного кристаллического порошка -волластонита.

Готовят шихту, соответствующую по составу девитриту, либо переходного состава от девитрита до волластонита. В качестве примера был взят следующий состав компонентов: кремнезем, карбонаты кальция и натрия в соотношении по весу 10 9 2. Шихту расплавляют и гомогенизируют в течение 1,5 ч во вращающейся стекловаренной печи при температуре 1260-1450^oС. Затем из стекла получают стекловолокна центробежным горизонтальным способом. Стекловолокна диаметром 5-20 мкм подвергают термообработке, нагревая до температуры 1050-1125^oС в потоке газа в течение 2-5 сек. При этом происходит кристаллизация волокон. Продуктом кристаллизации при нагреве до 1050^oС является девитрит (Na₂CaSi₂O₆) в виде кристаллов игольчатой формы, рост которых происходит по правилу ортотропизма от поверхности волокон к сердцевине. Максимальная длина кристаллов девитрита в любом случае не превышает половины диаметра волокон. При дальнейшем нагреве происходит распад кристаллов девитрита с образованием кристаллов -волластонита (CaSiO₃) и жидкой фазы силиката натрия (Na₂SiO₃).

Геометрия расположения и формы кристаллов -волластонита такие же как у предшественника девитрита. Между собой кристаллы соединены расплавом силиката натрия.

Затем полученный материал охлаждают водой и загружают в шаровую мельницу, где при температуре 80-90^oС происходит растворение силиката натрия в течение 10-15 мин. Взвесь кристаллов - волластонита отделяют от раствора силиката натрия центрифугованием, промывают в воде и сушат. Раствор силиката натрия сгущают выпариванием и используют при варке стекла или в качестве товарного продукта.

Полученный предлагаемым способом - волластонит представлен кристаллами игольчатой формы с соотношением диаметра к длине 1 10 1 20, длиной до 5 мкм. Основная масса кристаллов имеет длину до 1 мкм. Готовый продукт содержит не выше 0,1% силиката натрия.

Помимо получения более чистого -волластонита с повышенным выходом частиц с естественной формой кристаллов, упрощается технологический процесс его получения за счет сокращения времени термообработки (в 20-40 раз по сравнению с гранулами размером 3-5 мм) и время на помол при общем снижении энергозатрат.

Полученный кристаллический порошок -волластонита используют в качестве модифицирующего наполнителя полимерных композиций.

Пример 2. Способ получения тонкодисперсного кристаллического порошка кордиерита.

Готовят шихту, соответствующую по составу ситаллам кордиеритового типа с повышенным содержанием щелочей. Шихту расплавляют во вращающейся стекловаренной печи в течение 1,5 ч при температуре 1600-1700^oС и гомогенизируют. Из полученного стекла получают стекловолокна центробежным горизонтальным способом. Затем стекловолокна подвергают термообработке, нагревая до 1250-1300^oС в течение 30-40 сек для кристаллизации. Полученный материал, представляющий собой, преимущественно, кристаллическую фазу, сложенную кристаллами кордиерита (Mg₂Al₂Si₅O₁₈), слитыми между собой стеклом, охлаждают.

В шаровой мельнице волокна подвергают помолу. Полученный порошок обрабатывают раствором соляной кислоты с концентрацией 0,5% в течение 5-10 мин, промывают и сушат. При обработке соляной кислотой значительная часть присутствующей стеклофазы и других примесей растворяется. Конечный продукт содержит до 95-97% кристаллов кордиерита и используется в производстве функциональной керамики.

Предлагаемый способ позволяет получить сравнительно дешевый синтетический кордиерит материал с заданными свойствами для высокопрочных функциональных керамических изделий.

Пример 3. Способ получения тонкодисперсного кристаллического порошка муллита.

Готовят шихту, пригодную для получения высокоглиноземистого (алюмосиликатного) стекловолокна, например, при соотношении глинозема к кремнезему 1 1. Шихту расплавляют и гомогенизируют в электродуговой печи. Из образовавшегося стекла получают волокна центробежным способом с последующим раздувом раскаленными газами. Полученное супертонкое волокно с диаметром 1-5 мкм подвергают термообработке, нагревая до температуры 1100-1300^oС в течение 20-30 мин. Закристаллизованные волокна охлаждают в воде, измельчают помолом по примеру 1, 2. Затем полученный порошок подвергают обработке 0,5н. раствором NaOH в течение 20-30 мин, промывают в воде, сушат.

Полученный кристаллический порошок муллита используют в керамической промышленности.

Предлагаемый способ позволяет получить на порядок более тонкие фракции муллита по сравнению с любым другим известным способом, например, помолом спеченного муллита в шаровых мельницах, а получение фракций до 1-5 мкм известными и предложенным способами позволяет в десятки раз в последнем случае сократить время помола, а соответственно износ оборудования и энергозатраты.

Предлагаемое техническое решение, помимо приведенных примеров, позволяет получить тонкодисперсные кристаллические порошки металлов для порошковой металлургии и других целей, например, для изготовления сверхпроводящей керамики.