Блог

Исламова Г.Г., Вассерман Д.В.
ИЗУЧЕНИЕ ФАЗОВЫХ И СТРУКТУРНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ ТЕРМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА ВОЛЛАСТОНИТА

В последние десятилетия на мировом рынке минерального сырья наблюдается повышенный интерес к волластониту, обусловленный постоянно растущим потреблением данного минерала, обладающего рядом уникальных свойств. Так, например, добавление волластонита снижает температуру обжига керамики, повышает ее прочность, уменьшает усадку при сушке и обжиге, а также уменьшает температуру образования стеклофазы. Природный волластонит используют также в качестве наполнителя полимеров. Кроме того, волластонитовое сырье не оказывает отрицательного воздействия на здоровье человека, является заменителем таких веществ, как асбест и волокнистый тальк и имеет относительно невысокую стоимость.

В связи с возрастающей потребностью в волластоните необходим постоянный поиск новых источников сырья. Известно, что в настоящее время наряду с разработкой месторождений волластонита ведутся исследования и существуют производства синтетического волластонита. Отмечается, что обогащение волластонитовых руд с целью получения волластонитового концентрата как правило требует значительных затрат, связанных со специальными усилиями по удалению или снижению содержания нежелательных примесей (Азаров, 1995).

Целью данной работы явилось исследование возможности получения синтетического волластонита путем спекания шихт на основе молотого мрамора (микрокальцита) и опоки, а также диагностика образующихся при синтезе фаз.

Были составлены шихты с различным соотношением выбранных компонентов. Для исследования фазовых и структурных превращений в процессе термического синтеза волластонита использованы методы термического анализа: термогравиметрический (ТГ) и дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК), которые проводились на синхронном термоанализаторе STA 409 PC (фирма Netzsch, Германия). Нагрев образцов осуществлялся в динамическом режиме в интервале температур от 25 до 1200°С со скоростью нагрева 5К/мин в воздушной среде.

Рисунок

На рисунке представлены термические кривые (ТГ-ДСК), отображающие процесс обжига исходной шихты. На кривой ТГ в области температур 25-200°С наблюдается первый эндотермический эффект, который обусловлен удалением физически связанной воды и дегидратацией минеральных составляющих (микрокальцита и опоки).

В интервале 700-900°С регистрируется эндотермическое превращение, отвечающее интенсивному процессу диссоциации кальцита. На кривой ДСК в интервале температур 880-970°С, с максимумом 910°С, наблюдается экзотермический эффект, характерный для новообразующейся фазы β-волластонита. При дальнейшем увеличении температуры наблюдается второй экзотермический эффект с максимумом при 1146°С, который может быть отнесен к процессу образования высокотемпературного α-волластонита.

Таким образом, результаты исследований термического поведения шихт на основе выбранных компонентов микрокальцита и опоки, свидетельствуют об образовании новых фаз при температурах 800-900°С и 1200°С.

Для изучения технологических процессов спекания шихт был предложен постадийный обжиг при температурах 850, 1000 и 1200°С, соответствующих различным стадиям процесса и получены продукты обжига.

Фазовый состав, полученных при обжиге продуктов, изучался методами рентгенографического анализа и методом ИК-Фурье спектроскопии.

Определение фазового состава проводилось на дифрактометре «D 8Advance»  (Bruker Axc, Германия). По данным рентгенографического анализа в образце, обожженном при 850°С, основными компонентами являются кристобалит, оксид кальция и β-волластонит, в качестве незначительной примеси присутствует геленит. Образец, прокаленный до 1000°С по фазовому составу близок к предыдущему, отличаясь появлением примеси ларнита. Образец, обожженный при температуре 1200°С резко отличается от вышеописанных и является почти мономинеральным высокотемпературным α-волластонитом со следами кристобалита.

Для съемки инфракрасного спектра исследуемых образцов используется ИК Фурье-спектрометр TENSOR-27 (производство Bruker, Optic Gmbh, Германия). На ИК-Фурье спектре образцов, обожженных при температуре 850°С и 1000°С, наблюдаются полосы поглощения с максимумами при 565, 544, 681, 792, 851, 938, 962, 1018, 1100 см^-1 , характерные для β-волластонита. ИК-спектры этих двух образцов подтверждают, что нагрев образца до температуры 1000°С не приводит к изменению характера ИК-Фурье спектра. Это свидетельствует об отсутствии существенных фазовых переходов в данной системе.

В инфракрасном спектре компонентов, обожженных до 1200°С, регистрируются следующие изменения: появляется пик при 434 и 719 см^-1, пик 565 см^-1 увеличивает свою интенсивность, а пики  641, 683, 792 см^-1 – исчезают. Изменения наблюдаются в наборе пиков с частотами 900 – 1200 см^-1. Также появляются пики с частотами 923, 939, 992, 1071, 1090 см^-1, что свидетельствует о наличии изменений в фазовом составе образца. Такой спектр характерен для α–волластонита (Плюснина, 1977).

Таким образом, проведенные исследования позволяют выбрать оптимальные режимы термического синтеза волластонита из природных минеральных компонентов: микрокальцита и опоки.

Литература

1. Азаров Г.М., Майорова Е.В. и др. Волластонитовое сырье и области его применения // Стекло и керамика. 1995. №9. С. 13-16
2. Плюснина И.И. Инфракрасные спектры минералов. Издательство Московского университета, 1977. 176 с.

Рисунок. Термоаналитические кривые (ТГ, ДСК) процесса получения синтетического волластонита из микрокальцита и опоки