СОСТАВ ШИХТЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МИКРОШАРИКОВ, СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ
MIXTURE FOR MAKING COMPOSITE MICROSPHERES AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF

Изобретение относится к области получения шихты для изготовления композиционных микрошариков и может быть использовано в дорожном строительстве в качестве дорожной разметки.
В настоящее время существуют различные составы шихт для получения стеклянных микрошариков. Так, для получения микрошариков (микросфер) используют шихту, состоящую из классифицированных по размеру из предварительно дробленого стекла частиц размером 200-560 мкм [Патент РФ 2178392, Иванов Л.А., Киселев Н.Н., Побережный В.А., Слугин В.А., Сотенский М.Г., С03В 19/10, Н05Н 1/30, дата подачи 28.03.2000, дата публикации 20.01.2002].
Наиболее близким техническим решением к заявляемому составу шихты является шихта, включающая стеклопорошок и клей ПВА в качестве связующего, в соотношении 10:1 (весовых частей) [Крохин В.П., Бессмертный B.C., Пучка О.В., Никифоров В.М. Синтез алюмоиттриевых стекол и минералов // Стекло и керамика. 1997, №9, с.6, 1 колонка, строки 24 и 36, с.7, 2 колонка, 1-я строка сверху].
Существует ряд способов подготовки шихты для получения микрошариков на основе стекла. Известен способ подготовки шихты путем отвешивания и смешения компонентов, с последующим получением расплава и его диспергации в газовом потоке [Будов В.М., Егорова Л.С. Стеклянные микрошарики. Применение, свойства, технология // Стекло и керамика. 1993, №7, с.2-5].
Недостатками вышеуказанных технических решений является невозможность получения композиционных микрошариков из-за окисления металлов в стекломассе в процессе варки стекол, а также низкая светоотражающая способность, длительность и энергоемкость процесса.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является способ получения шихты для изготовления микрошариков, включающий смешивание компонентов шихты, введение в состав шихты связующей и выгорающей добавки в виде клея ПВА, формование и сушку стержней диаметром 2…4 мм и длиной 250...300 мм [Крохин В.П., Бессмертный B.C., Пучка О.В., Никифоров В.М. Синтез алюмоиттриевых стекол и минералов // Стекло и керамика. 1997, №9, с.6, 1 колонка, строки 24 и 36, с.7, 2 колонка, 1-я строка сверху].
Недостатком данного способа является невозможность получения композиционных микрошариков, низкое качество конечного продукта, в частности низкая прочность отформованных стержней, длительность образования газовых включений в микрошариках за счет выгорания клея ПВА при получении микрошариков.
Целью группы изобретений является разработка состава шихты и способа ее подготовки для получения композиционных микрошариков с высокой светоотражающей способностью.
Техническим результатом предлагаемого состава и способа получения шихты является повышение прочности отформованных стержней из сырьевой смеси, предназначенной для получения микрошариков методом плазменного распыления и технологическая возможность получения из данной шихты композиционных микрошариков с высокой отражающей способностью.
Поставленная цель достигается тем, что в состав стеклопорошка вводили порошок алюминия, а в качестве связующего использовали воду и жидкое стекло в следующем соотношении, мас.%: стеклопорошок - 25; порошок алюминия - 25; жидкое стекло - 20; вода - 30. Оптимальные составы шихт на основе боя листового стекла и алюминиевого порошка смешивали и затворяли предварительно подготовленным 20…40% водным раствором жидкого стекла с последующей формовкой и сушкой стержней.
Оптимальные составы шихт представлены в табл.1.
Таблица 1
№п/п
Водный раствор жидкого стекла, %
Состав шихты, мас.%
Прочность на сжатие, МПа
Способность к формованию стержней
Жидкое стекло
Вода
Порошок алюминия
Стекло-порошок
1
10
3
27
35
35
-
не формуется
4
36
30
30
-
не формуется
5
45
25
25
3,2
формуется удовлетворительно
6
54
20
20
2,8
формуется удовлетворительно
7
63
15
15
-
не формуется
2
20<sup>∗</sup>
6
24
35
35
-
не формуется
8*
32*
30*
30*
9,6
формуется хорошо
10
40
25
25
8,9
формуется хорошо
12
48
20
20
7,1
формуется удовлетворительно
14
56
15
15
-
не формуется
3
30
9
21
35
35
-
не формуется
12
28
30
30
7,3
формуется хорошо
15<sup>∗</sup>
35<sup>∗</sup>
25<sup>∗</sup>
25<sup>∗</sup>
10,1<sup>∗</sup>
формуется хорошо
18
42
20
20
8,2
формуется удовлетворительно
21
49
15
15
-
не формуется
12
28
35
35
-
не формуется
4
40<sup>∗</sup>
16
24
30
30
8,3
формуется хорошо
20<sup>∗</sup>
30<sup>∗</sup>
25<sup>∗</sup>
25<sup>∗</sup>
10,5<sup>∗</sup>
формуется хорошо
24
36
20
20
9,2
формуется удовлетворительно
28
42
15
15
-
не формуется
15
15
35
35
-
не формуется
5
50
20
20
30
30
-
комкование шихты
25
25
25
25
-
комкование шихты
30
30
20
20
-
комкование шихты
35
35
15
15
-
не формуется
<sup>∗</sup> - оптимальное соотношение
Таким образом, основным отличительным признаком предлагаемого способа получения и состава шихты является использование в качестве связующего 20…40% водного раствора жидкого стекла в количестве 40…50 мас.% и введение в состав шихты порошка алюминия в количестве 50 мас.%.
Как видно из таблицы 1, оптимальные составы шихт включают следующее количество компонентов:
Состав 1
Состав 2
Состав 3
Вода - 32%
Вода - 35%
Вода - 30%
Жидкое стекло - 8%
Жидкое стекло - 15%
Жидкое стекло - 20%
Порошок
Порошок
Порошок
алюминия - 30%
алюминия - 25%
алюминия - 25%
Стеклопорошок - 30%
Стеклопорошок - 25%
Стеклопорошок - 25%
Наиболее оптимальным соотношением порошка алюминия и стелопорошка является соотношение 1:1 (табл.2). При данном соотношении компонентов получаются композиционные микрошарики с наиболее высоким коэффициентом диффузионного отражения (КДО) или максимальной из возможных вариантов составов шихты светоотражающей способностью.
Таблица 2
№ п/п
Соотношение компонентов, мас.%
Композиционные микрошарики
Порошок алюминия
Стеклопорошок
Коэффициент диффузионного отражения (КДО), %
1
30
70
62
2
40
60
80
3
50<sup>∗∗</sup>
50<sup>∗∗</sup>
82<sup>∗∗</sup>
4
60
40
65
5
70
30
58
6
80
20
42
<sup>∗∗</sup> - оптимальное соотношение
Изобретательский уровень подтверждается тем, что введение в состав стеклопорошка алюминиевого порошка и затворение водным раствором жидкого стекла позволяет не только повысить прочность стержней, но и получить в конечном итоге композиционные микрошарики с высокой светоотражающей способностью (коэффициентом диффузионного отражения).
Отличительным признаком предлагаемого способа является предварительное смешение тонкомолотого порошка стекла с порошком алюминия и последующее затворение 20…40% раствором жидкого стекла (табл.1).
Использование 10…15% раствора жидкого стекла не позволяет достичь необходимой для практического использования прочности стержней. При использовании раствора жидкого стекла более 40% при смешении с порошком стекла и алюминия наблюдается комкование шихты, что существенно ухудшает формовочную способность (пластичность).
Исследование микроструктуры композиционных микрошариков на аншлифах методом растровой электронной микроскопии показало, что в матричном стекле имеются многочисленные вкрапления макрочастиц металлического алюминия размером 20...60 мкм, причем в отдельных участках матричного стекла имеются микрочастицы алюминия 0,2…3,0 мкм.
Если размеры макрочастиц алюминия в стеклошарике значительно больше длины волны падающего излучения видимого спектра, равной 0,2~λ~3 мкм, то размеры микрочастиц алюминия соизмеримы с длиной волны. Отражение света от таких поверхностей происходит по закону Френеля.
Повышенная светоотражающая способность композиционных микрошариков связана с тем, что угловое распределение отражающего излучения определяется статическим распределением площадок частиц алюминия в микрошарике и носит диффузный характер.
Сферическая геометрия микрошарика из матричного стекла с вкраплениями частиц алюминия исключает проявление зеркальной отражательной способности при малых углах падения светового пучка из-за хаотично расположенных макрочастиц алюминия по объему микрошарика. При больших углах падения светового пучка отсутствие проявления зеркальной отражающей способности обуславливается затенением микрочастиц макрочастицами алюминия. Это приводит к многократным отражениям света в микрошарике и существенно повышает светоотражающую поверхность композиционных микрошариков в отличие от стеклянных микрошариков.
Таким образом, если в стеклянных микрошариках светоотражающая способность обеспечивается в основном за счет отражения света от сферической поверхности, то в композиционных микрошариках повышенная светоотражающая способность обеспечивается как за счет отражения света от сферической поверхности, так и за счет отражения лучей света от частиц алюминия.
В редких разновидностях ювелирных камней, такие вкрапления отдельных макро- и микрочастиц определяются такими техническими терминами, как плеохроизм, переливчатость, а камни имеют специальное название, например «Звездчатый сапфир». Такие камни обладают повышенной светоотражающей способностью [A.M.Жуков. Драгоценные камни более 100 названий. - М.: ACT; МН: Харвест. - с.9].
Композиционные микрошарики на основе листового стекла и флоат-стекла с порошком алюминия имеют повышенный коэффициент диффузионного отражения (КДО=80…82%).
У стеклошариков КДО обычно не превышает 50…60%.
Сопоставительный анализ шихт и способов получения микрошариков представлен в табл.3.
Таблица 3
№п/п
Наименование операций, состав и свойства
Ед. изм.
Известный способ и состав шихты
Предлагаемый способ и состав шихты
1
Технологические операции подготовки сырьевой смеси
Смешение компонентов в шаровой мельнице для получения стеклошариков
Помол и смешение компонентов в лопастном смесителе для получения композиционных
↓
микрошариков
Сушка компонентов
↓
шихты
Смешение шихты с
↓
раствором жидкого
Смешение шихты со
стекла
связующей и
↓
выгорающей
Формование стержней
добавкой (клей ПВА)
↓
↓
Сушка стержней
Формование стержней
↓
Сушка стержней
2
Состав сырьевых смесей
мас.%
Y<sub>2</sub>O<sub>3 </sub>- 43,7
Вода - 20,0;
Жидкое стекло - 20,0;
Аl<sub>2</sub>O<sub>3 </sub>- 56,3
Порошок алюминия -25,0;
Клей ПВА - 10 (сверх 100%)
Стеклопорошок - 25,0
3
Прочность стержней диаметром 4 мм
МПа
0,6<sup>∗.</sup>
10,5<sup>∗</sup>
<sup>∗</sup> - по собственным исследованиям
Пример. На первом этапе готовили исходные компоненты и отвешивали их на аналитических весах с точностью +0,01 г для приготовления следующих составов:
Состав 1 (мас.%)
Состав 2 (мас.%)
Состав 3 (мас.%)
20% водный раствор
30% водный раствор
40% водный раствор
Вода - 32%
Вода - 35%
Вода - 30%
Жидкое стекло - 8%
Жидкое стекло - 15%
Жидкое стекло - 20%
Порошок
Порошок
Порошок
алюминия - 30%
алюминия - 25%
алюминия - 25%
Стеклопорошок - 30%
Стеклопорошок - 25%
Стеклопорошок - 25%
Для получения стеклопорошка брали бой листового стекла и флоат-стекла следующих химических составов (табл.4):
Таблица 4
№ п/п
Наименование стекла
Химический состав стекла, мас.%
SiO<sub>2</sub>
Аl<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
СаО
Na<sub>2</sub>O
MgO
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
SO<sub>3</sub>
1
Листовое стекло
72,5
1,0
9,0
14,0
3,0
0,05
0,5
2
Флоат-стекло
73,0
1,0
8,6
13,4
3,6
0,08
0,32
Бой листового стекла и флоат-стекла по отдельности загружали в шаровые мельницы объемом 10 л с уролитовыми шарами и мололи в течение 6 часов. После помола стеклопорошки извлекали из шаровой мельницы и рассеивали на ситах с размером ячеек 0,630 мм.
В качестве исходных компонентов также брали жидкое стекло по ГОСТ-13078-81 и порошок алюминия ПА-4 по ГОСТ 6058-73.
Для приготовления 1000 г исходной шихты состава 1 отвешивали следующее количество компонентов:
Алюминиевый порошок - 300 г;
Стеклопорошок - 300 г;
Жидкое стекло - 80 г;
Вода - 320 г;
ИТОГО: 1000 г.
После отвешивания готовили 20% водный раствор жидкого стекла. Для этого в стакан из химико-лабораторного стекла II гидролитического класса вливали 320 г воды и 80 г жидкого стекла. Перемешивание компонентов производили с использованием пропеллерной мешалки в течение 30 мин.
В лабораторном шнековом смесителе в течение 30 мин готовили механическую смесь из 300 г порошка алюминия и 300 г стеклопорошка. Механическую смесь порошка алюминия и стеклопорошка извлекали из шнекового смесителя.
Затем в стакан, в котором находился 20% водный раствор жидкого стекла, помещали вращающийся пропеллер мешалки и порциями по 40…50 г всыпали смесь порошков алюминия и стеклопорошка с интервалом времени 40…60 с. В результате перемешивания компонентов шихты образовывалась высокопластичная масса.
Из пластичной массы путем пластического формования (вручную или с использованием лабораторного шнекового пресса) готовили стержни длиной 300…400 мм. Стержни помещали на лотки и сушили в сушильном шкафу при 90°С в течение 2 часов. В течение данного времени происходило удаление воды из стержней и их упрочнение за счет взаимодействия жидкого стекла со стеклопорошком. После сушки стержни извлекали из сушильного шкафа.
Таким образом, шихта в виде стержней готова для получения композиционных микрошариков.
Для приготовления 1000 г исходной шихты состава 2 отвешивали следующее количество компонентов:
Алюминиевый порошок - 250 г;
Стеклопорошок - 250 г;
Жидкое стекло - 150 г;
Вода - 350 г;
ИТОГО: 1000 г.
Для приготовления 1000 г исходной шихты состава 3 отвешивали следующее количество компонентов:
Алюминиевый порошок - 250 г;
Стеклопорошок - 250 г;
Жидкое стекло - 200 г;
Вода - 300 г;
ИТОГО: 1000 г.
Шихты в виде стержней состава 2 и 3 готовили также, как состав 1.
Контроль качества
После сушки стержни подвергали испытанию прочности на сжатие на гидравлическом прессе. Прочность стержней определяли как среднеарифметическое 5 измерений:
сж
σ=(10,4+10,6+10,5+10,3+10,7)/5=10,5.
Таким образом, введение в состав стекла порошка алюминия, использование в качестве связующего воды и жидкого стекла в следующем соотношении компонентов, мас.%: стеклопорошок - 25; порошок алюминия - 25; жидкое стекло - 20; вода - 30, позволяет получить композиционные микрошарики с высокой светоотражающей способностью.
А метод плазменного распыления позволяет повысить прочность, снизить энергоемкость процесса и, как следствие, получить высококачественную конкурентоспособную продукцию.