способ получения неорганического материала на основе кварцевого стекла с регулируемой плотностью

Формула изобретения

1. Способ получения неорганического материала на основе кварцевого стекла с регулируемой плотностью за счет изменения концентрации твердой фазы в водной суспензии кварцевого стекла, включающий диспергацию, измельчение и мокрый помол в шаровой мельнице волокнистого сырья до размера частиц 0,1-500 мкм, формование, сушку и обжиг изделий, отличающийся тем, что регулирование плотности и свойств материала осуществляется путем введения в водоволокнистую суспензию водного шликера кварцевого стекла аналогичного зернового состава до получения плотности 1,50-1,85 г/см³ и дополнительное регулирование плотности материала - изменением содержания волокнистой и порошкообразной составляющей в пропорциях от 5 до 95 вес.%, а формование изделий осуществляют методом водного шликерного литья.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительное изменение плотности и упрочнение материала достигают за счет введения в формовочную массу борсодержащей добавки, например порошка BN, SiB₄, B₂, BPO₄ в количестве 0,5-1,5 вес.% к твердой фазе.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии получения неорганических волокнистых и керамических материалов на основе кварцевого стекла и может быть использовано для изготовления плоских и фасонных изделий теплотехнического, электротехнического, радиотехнического назначения с заданной и регулируемой плотностью, пористостью, диэлектрической проницаемостью и других свойств.

Для получения неорганических материалов с существенно отличающейся плотностью используют обычно несколько способов получения: горячее прессование, шликерное литье, полусухое прессование, пенометод и др. Реализация каждого из них сопряжена с созданием специфического, иногда достаточно сложного технологического оборудования и оснастки, что значительно усложняет организацию производства материалов и изделий с широким диапазоном плотности (пористости) и др. свойств. Большое значение представляют технологические решения, обеспечивающие получение материалов с широким диапазоном свойств по одной технологии производства.

Известен способ получения таких материалов на основе кварцевого стекла, согласно которому регулирование плотности осуществляется за счет изменения соотношения волокнистой и порошкообразной составляющей в формовочной массе (Ф.Я.Бородай. Керамические материалы на основе аморфного оксида кремния. «Стекло и керамика», с.24-26, 1992 г., № 4). Материалы и изделия формуют методом полусухого прессования из формовочных масс, содержащих смесь порошка и измельченного волокна кварцевого стекла.

Недостатком способа является значительная неоднородность получаемых материалов, что связано с трудностью перемешивания волокнистой и порошкообразной составляющей в сухом и полусухом состоянии. Кроме того, проведение технологических операций с сухим порошком и измельченным волокном на основе SiО₂ может вызвать повышенную запыленность и профзаболевания обслуживающего производство персонала.

Наиболее близким способом получения неорганического материала на основе кварцевого стекла, обеспечивающего получение материалов с широким диапазоном свойств (плотность от 0,2 до 1,1 г/см ³), является способ, включающий диспергацию и измельчение волокна, приготовление водоволокнистой формовочной массы, прессование заготовок в перфорированных формах с одновременным отводом воды, сушку и обжиг, при этом измельчение волокна и приготовление формовочной массы осуществляют путем мокрого помола волокна в шаровой мельнице при концентрации волокна 20-60 вес.% до получения полидисперсных частиц с размером 0,1-500 мкм, а регулирование плотности и свойств материала осуществляют изменением концентрации волокна в формовочной массе по зависимости =1,5 с^0,7, где - плотность материала, с - концентрация волокна в формовочной массе (патент РФ № 2213074, кл. С04В 35/80, 35/14. Способ получения неорганического волокнистого материала. Бюл. № 27, сентябрь 2003 г.).

Достоинством способа является то, что изменением одного технологического параметра - концентрации твердой фазы в формовочной массе (плотности суспензии) - осуществляется регулирование свойств материала в широких пределах.

Недостатком является ограниченность способа низкоконцентрированными суспензиями и сложность получения более плотных материалов. Кроме того, способ не позволяет получать материалы и изделия наиболее простым и доступным методом формования - водным шликерным литьем в гипсовых формах.

Целью настоящего изобретения является расширение возможности регулирования плотности и свойств материала путем изменения концентрации твердой фазы в формовочной массе, упрощение способа получения неорганического материала на основе кварцевого стекла с регулируемой плотностью за счет перевода технологии производства материала и изделий из него на водное шликерное литье в гипсовых формах.

Поставленная цель достигается тем, что предложен способ получения неорганического материала на основе кварцевого стекла с регулируемой плотностью за счет изменения концентрации твердой фазы в водной суспензии кварцевого стекла, включающий диспергацию, измельчение и мокрый помол в шаровой мельнице волокнистого сырья до размера частиц 0,1-500 мкм, формование, сушку и обжиг изделий, отличающийся тем, что регулирование плотности и свойств материала осуществляется путем ведения в водоволокнистую суспензию водного шликера кварцевого стекла аналогичного зернового состава до получения плотности 1,50-1,85 г/см³ и дополнительное регулирование плотности материала - изменением содержания волокнистой и порошкообразной составляющей в пропорциях от 5 до 95% вес, а формование изделий осуществляют методом водного шликерного литья.

Изменение плотности и упрочнение материалов достигается также за счет введения в формовочную массу борсодержащей добавки, например порошка BN, SiB₄, В₂,

ВРО ₄ в количестве 0,5-1,5 вес.% к твердой фазе.

Экспериментально установлено, что достаточно однородные и прочные отливки и материалы на основе кварцевого стекла по керамической технологии методом водного шликерного литья можно получать из комбинированных шликеро-волокнистых суспензий, если их плотность не ниже 1,50 г/см³. При этом чем ниже плотность суспензии (шликера), тем больше количество волокнистой компоненты она должна содержать, так как частицы тонкого волокна (средний диаметр волокна типа ТКВ составляет 0,7-2,1 мкм) повышают седиментационную устойчивость низкоконцентрированных суспензий. Для шликеров с плотностью более 1,80 г/см³ волокнистой составляющей достаточно 5-10 вес.%, а при плотности более 1,87 вес.% водные суспензии кварцевого стекла являются достаточно седиментационно устойчивыми и без введения волокнистого материала.

Другими важными свойствами волокнистой составляющей водного шликера кварцевого стекла при решении поставленной задачи является разрыхление структуры отливки и спеченного материала, уменьшение плотности материала, даже если он получен из суспензий с большой плотностью. Это позволяет производить дополнительное регулирование плотности материала за счет изменения содержания волокна в формовочной массе в широких пределах - от 5 до 95 вес.%.

В связи с тем, что пористые отливки из шликеро-волокнистых формовочных масс спекаются хуже плотных керамических, с целью активации процесса спекания, повышения прочностных свойств материала и одновременно изменения (увеличения) плотности материала, в формовочную массу вводят 0,5-1,5 вес.% борсодержащей добавки, например порошка BN, SiB ₄, В₂, ВРО₄. Выбранный активатор спекания, его количество не изменяет реологических свойств суспензий, обеспечивает хорошее спекание материала при сравнительно низких температурах (1220-1250°С), что не вызывает кристаллизации кварцевого стекла при обжиге и не ухудшает основных свойств керамических материалов.

Предложенный способ получения неорганических материалов на основе кварцевого стекла с регулируемой плотностью включает следующие технологические операции:

- получение водной суспензии кварцевого стекловолокна путем помола предварительно диспергированного и брикетированного волокна в шаровой мельнице алундовыми или кварцевыми мелющими телами в дистиллированной воде при соотношении - волокно: мелющие тела: вода по весу 1,0:1,3-1,5:0,7-1,0;

- получение водного шликера кварцевого стекла с плотностью 1,87-1,90 г/см ³ путем мокрого помола боя кварцевого стекла в шаровой мельнице по известной технологии;

- процеживание водной суспензии кварцевого волокна и шликера кварцевого стекла через сетку 0,5 мм с целью отделения крупных частей;

- смешение и перемешивание суспензий в заданной пропорции в шаровой мельнице без дополнительного помола (малое количество шаров) и получение комбинированного шликера с плотностью от 1,50 до 1,85 г/см³ (при необходимости в этой операции в шаровую мельницу вводится активатор спекания в виде порошков BN, SiB ₄, В₂, ВРО₄ в количестве 0,5-1,5 вес.% к твердой фазе);

- формование заготовок и изделий методом шликерного литья в гипсовых формах;

- подвялка, сушка, затем обжиг изделий в электрических печах при максимальной температуре 1220-1250°С в течение 1-3 часов.

Пример выполнения способа

Супертонкое кварцевое волокно СКВ ТУ6-11-16-191-81 или тонкое кварцевое волокно ТКВ ТУ6-48-5786902-78-91 диспергировали в дистиллированной воде в миксере при скорости вращения пропеллера 2600 об/мин, отжимали и брикетировали в перфорированной кассете. Затем волокно загружали в шаровую мельницу при соотношении волокно: кварцевые мелющие тела: дистиллированная вода, равном 1,0:1,5:1,0, и производили помол в течение 0,5-3,0 часа до получения частиц с размером 0,1-500 мкм. Окончание помола контролировали свободным прохождением суспензии через сетку с ячейкой 1,0 мм. В дальнейшем суспензию процеживали через сетку 0,5 мм. Ускорение помола стекловолокна достигалось порционным введением волокна в мельницу (2-4 раза). Концентрация твердой фазы в суспензии составляла 50-60 вес.%, плотность 1,38-1,50 г/см³.

В связи с тем, что суспензии с такой плотностью не дают качественных отливок методом шликерного литья, в них вводили водный шликер кварцевого стекла с плотностью 1,87-1,90 г/см³, зерновым составом: частиц до 5 мкм 20-25%, частиц 63-500 мкм 4-10%, остальное - частицы с размером 5-63 мкм. Для усиления спекания в мельницу вводили предварительно перемешанный в той же суспензии порошок активатора спекания, например бор аморфный марки Б99 ТУ1-92-154-90 в количестве 0,5-1,5 вес.% к твердой фазе суспензии. Смесь перемешивали не менее 1 часа, процеживали через сито с ячейкой 0,5 мм и заливали в гипсовые формы. Для облегчения извлечения сложнопрофильных изделий из гипсовой формы поверхность формы покрывали тонким слоем графита пылевидного ТУ 4802-20-94.

Отформованные заготовки подвяливали в комнатных условиях, сушили в термостате при температуре 100-300°С и обжигали в силитовых печах при максимальной температуре 1220-1250°С в течение 1-3 часа (в зависимости от требований по плотности). При необходимости изделия доводили до размеров путем механической обработки на плоскошлифовальных, круглошлифовальных или токарных станках обычными режущими инструментами с подачей воды, а для плотных материалов - алмазными фрезами и кругами.

В таблице приведены технологические параметры получения разноплотных материалов и свойства материалов по предлагаемому способу и прототипу.

Заявленный способ получения неорганического материала на основе кварцевого стекла позволяет:

- получать материалы на основе кварцевого стекла с плотностью от 1,2 до 2,0 г/см³ наиболее простым и доступным в керамическом производстве методом - водным шликерным литьем в гипсовых формах;

- регулировать свойства материала в широких пределах за счет легко контролируемых технологических параметров - плотности формовочной суспензии и соотношения содержания волокнистой и порошкообразной составляющей в формовочной массе; дополнительное регулирования свойств может осуществляться за счет введения активатора спекания и режима обжига.

Способ прост в технологическом исполнении, позволяет формовать изделия сложного профиля, в том числе крупногабаритные и тонкостенные, что обусловлено хорошими формовочными свойствами шликеро-волокнистых суспензий и достаточной однородностью получаемых материалов. Способ позволяет получать материалы и изделия с плотностью от 1,2 до 2,0 г/см³.

Источники информации

1. Ф.Я.Бородай. Керамические материалы на основе кварцевого стекла. «Стекло и керамика». № 4, с.24-26, 1992 г.

2. Патент РФ № 2213074, кл. С04В 35/80, 35/14. Способ получения неорганического волокнистого материала. Бюлл. № 27, сентябрь 2003 г.