Чернышов Александр Владимирович Научный руководитель: д.т.н

Чернышов Александр Владимирович
Научный руководитель: д.т.н., Гершенкоп Александр Шлемович
Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук,
Инженерный центр. г. Апатиты
Определение форм-фактора с целью создания экологически
безопасных наполнителей и пигментов на основе слюд
Получение тонкодисперсных слюд является важным фактором,
определяющим их использование. В процессе помола требуется сохранить
пластинчатость измельченных слюд для сохранности их эластичности в
изделиях.
В отличие от слюд тальк и каолин являются более мягкими
материалами и не обладают пластинчатой структурой. Производство
пластмасс на основе слюд и их использование в других отраслях
промышленности, где требуется большая пластичность и стойкость,
развивается особенно быстро за рубежом. Помимо высокой
пластинчатости, так называемого форм-фактора, слоистые силикаты
способствуют сохранению формы изделий на их основе при высоких
температурах, а также обеспечивают промышленность более экологически
чистыми наполнителями.
Пигменты на основе слюд с высоким характеристическим
отношением и перламутровым эффектом обладают отличными
декоративными и техническими свойствами и широко используются в
различных отраслях промышленности, в том числе в полиграфии, средств
косметики, а так же при получении лакокрасочных материалов для
покрытий типа «металлик». Оптический эффект, возникающий при
преломлении света на границе раздела фаз (оболочка и носитель),
выражается в различных цветовых оттенках пигмента – золотистый,
серебристый, радужный и т.д. Цвет зависит так же от толщины (от 10 до
150 нм) нанопокрытия, от их количества на частицах носителя, от
состояния поверхности носителя и от размера его частиц (отношение
длины частицы к ее толщине). Отсюда и высокие требования
промышленности к качеству молотых слюд. Форм-фактор зависит от
величины частиц слюды, их формы и распределения диаметров частиц в
каждой фракции. По этому в материалах, посвященных молотым слюдам,
точных параметров слюды не приводятся как у нас [1], так и за рубежом.
Определение характеристического отношения частиц слюды (формфактора) является трудной задачей.
Метод прямого микрометрирования под микроскопом был признан
непригодным из-за невозможности определения толщины частичек мелкой
слюды, поскольку их толщина сравнима и даже меньше разрешающей
способности обычного светового микроскопа, а для набора хорошей
статистики при работе с крупными частицами требуется много времени.
Использование метода Ксантоса [2] не дало положительных результатов по
причине пригодности данной методики только для очень узких фракций
слюды, которые в практической работе не получаются.
На наш взгляд заслуживает внимания метод используемый НПО
«Пластмассы». Образец слюды обрабатывается 0,5-0,7% раствором
стеарата кальция в толуоле. Затем слюда переносится на фильтровальную
бумагу и высушивается. Навеска высушенной слюды аккуратно,
небольшими порциями высыпается на поверхность воды – при этом
частицы слюды разбегаются по поверхности, располагаясь монослоем
(контроль ведется под микроскопом). С помощью анализатора
изображений Маджискан-2 фирмы Джайс Лайбл, используя специальную
программу, можно с достаточной точностью определить площадь,
занимаемую частицами. По площади, плотности и величине навески
можно подсчитать толщину частиц.
К сожалению, использовать эту простую методику не представилось
возможным, в виду отсутствия необходимого оборудования.
Поэтому нами использовано определение толщины частичек слюды на
основании замера их удельной поверхности. Как известно, удельная
поверхность равна площади всех частиц высотой h и радиусом R,
содержащихся в 1 г. порошка.
;
n – число частиц в 1 г. порошка;
S – площадь одной частицы;
- объем одной частицы;
- удельный вес порошка.
Отсюда
;
При условии, что R>>h, можно записать
;
или
;
В данном случае, определив удельную поверхность порошка, можно с
достаточной точностью определить форм-фактор. Однако здесь
встречаются две сложности, которые необходимо учитывать. Первая
относится к трудностям, связанным с определением удельной
поверхности, т.к. методом БЭТ нельзя четко определить удельную
поверхность слюд, из-за того, что нет четкой границы от монослоя до
полисорбции. Второй недостаток – это при незначительном содержании
нижнего класса материала искажается определение удельной поверхности.
Контроль за содержанием нижнего класса крупности (речь идет об 1-5
мкм) требует так же специального оборудования. Однако, при тщательном
отмучивании нижней граничной крупности и при использовании ртутной
пораметрии этот метод дает удовлетворительные результаты.
В лабораторных условиях с целью определения характеристического
отношения готовилась измельченная слюда. Классификация в конусах
велась до полного освоения слива конусов, что достигалось через 45 минут
для классификации по зерну 40 мкм и через 3 часа для классификации по
зерну 5 мкм. Данные классификации приведены в таблице 1.
Таблица 1
Крупность
фракции, мкм
+40
-40+5
-5
Итого
Классификация измельченной слюды
Выход, %
Объемные веса,
Удельная
3
г/см
поверхность, м2/г
53,1
484,5
31,6
203,4
11,0
15,3
100
Фракция менее 40 и крупнее 5 мкм анализировалась по таким физическим
параметрам как объемный вес и удельная поверхность. По значению
удельной поверхности определено характеристическое отношение, для
которого средний диаметр фракции -40+5 мкм определялся под
микроскопом.
В итоге
.
Литература:
1. Пигмент флогопитовый и мусковитовый модифицированный перламутровый.
Технические условия ТУ 21-028439 3-27-89.
2. Наполнители для полимерных композиционных материалов. М., Химия, 1981, с.
393.