Реологические свойства концентрированных водных суспензий на основе оксида алюминия

DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.212-215 УДК 666.3 : 546'41

РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ВОДНЫХ СУСПЕНЗИЙ НА ОСНОВЕ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ

Д. В. Акиншин, Н. Д. Парамонова, Л. А. Россохина, М. А. Вартанян, О .В. Яровая

Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия Аннотация

Описаны результаты исследований по получению водных шликеров для изготовления высокопористой ячеистой керамики на основе оксида алюминия методом дублирования полимерной матрицы. Определено влияние на реологические свойства шликеров вида и концентрации пластификатора, а также содержания твердой фазы. Показано, что наибольшее влияние на реологические свойства шликеров оказывает содержание пластификатора. Ключевые слова:

пластификаторы, реологические свойства, шликерное литье.

RHEOLOGICAL BEHAVIOUR OF ALUMINA CONCENTRATED WATER DISPERSIONS

D. V. Akinshin, N. D., Paramonova, L. A., Rossokhina, M. A., Vartanyan, O. V. Yarovaya

D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia Abstract

The paper presents a study in water casting slurries for fabricating alumina-based porous cellular ceramics by polymer matrix duplicating. The effect of a plasticising agent type and concentration as well as solid phase content on the rheological behaviour of slurries has been discussed. Rheology of slurries was shown to be most influenced by a plasticising agent concentration. Keywords:

plasticising agent, rheological behavior, slurry casting.

Одним из распространенных способов изготовления высокопористых ячеистых проницаемых материалов (ВПЯМ) является метод дублирования полимерной матрицы, в основе которого лежит нанесение слоя шликера на поверхность органических структурообразующих матриц. Органическая матрица удаляется термодеструкцией в ходе обжига, а спекающийся порошок повторяет ее форму. Как правило, в качестве матрицы для ВПЯМ используют пенополиуретан [1].

Цель исследования — разработать состав водного шликера на основе оксида алюминия для изготовления ВПЯМ путем изучения реологических свойств шликеров с различным гранулометрическим составом и природой исходных порошков, а также видом и содержанием пластификаторов.

Оксид алюминия получали прокаливанием коммерческого гидроксида алюминия при температуре 1200 °С, предварительно подготовленную, как описано в работах [2, 3], добавку системы CaO — ZnO — AI2O3 — SiO2 (CZAS) вводили в количестве 5 мас. %. Смешение добавки с оксидом проводили в фарфоровом барабане корундовыми шарами мокрым способом в течение 12 ч, приготовленные суспензии высушивали при температуре 100 °С. После сушки порошки гомогенизировали, последовательно протирая через сито 05. В качестве пластификаторов в работе оценивали действие двух широко используемых в практике водорастворимых полимеров — поливинилового спирта (ПВС) и натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (Na-КМЦ). Для получения шликеров использовали водные растворы указанных полимеров с концентрацией 2-6 мас. % с шагом 1 мас. %.

На первом этапе работы определяли реологические характеристики растворов полимеров, для чего были построены кривые течения, представленные на рис. 1. На основании полученных данных из дальнейшего эксперимента исключили 6%-й раствор ПВС, а также 5 и 6 %-е растворы Na-КМЦ, так как их избыточно высокая вязкость затрудняет получение однородного шликера и пропитку сетчато-ячеистой полимерной матрицы. Остальные растворы характеризовались сравнительно низкой вязкостью и высокой текучестью, что обеспечит равномерность нанесения на заготовку шликеров на их основе. Полученные результаты о реологических характеристиках водных растворов полимеров находятся в хорошем согласии с литературными данными [4, 5].

Далее в работе изучили влияние содержания пластификатора на реологические свойства формовочных композиций, для этого с применением выбранных растворов полимеров подготовили образцы шликеров. Содержание твердой фазы во всех образцах было одинаковым и составляло 50 мас. %.

По полученным данным (рис. 2), вязкость шликеров с увеличением концентрации пластификатора резко возрастает и в случае 4 и 5 %-х растворов ПВС, а также 4 %-го раствора Na-КМЦ оказывается столь высокой, что исключает их дальнейшее использование.

500 1000 1500 Напряжение на сдвиг, Па

2000

2500

2%

3%

4%

5%

6%

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Напряжение на сдвиг, Па

2%

3% 4%

б

5%

6%

Рис. 1. Кривые течения водных растворов ПВС (а) и №-КМЦ (б) различной концентрации

140 120 100

О

£ 80

_0

& 60

о

^

со

со 40 20 0

50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

500

1000 1500 2000 2500

Напряжение на сдвиг, Па

3000 3500

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Напряжение на сдвиг, Па

2%

3%

а

4%

5%

2%

3%

4%

Рис. 2. Вязкость шликеров на основе растворов ПВС (а) и №-КМЦ (б) различной концентрации

На следующем этапе работы оценили влияние содержания твердой фазы в формовочной массе, его изменяли в пределах 45 ... 55 мас. % по массе. Исследования реологических свойств проводили для композиций, содержащих 2 и 3 мас. % ПВС и №-КМЦ соответственно, результаты исследований приведены на рис. 3. Следует отметить, что с увеличением содержания твердой фазы в композиции ее вязкость увеличивается для каждой серии образцов. Увеличение содержания пластификатора оказывает обратное действие: шликеры на основе 3 %-х растворов как ПВС, так и №-КМЦ при одинаковом содержании твердой фазы имеют примерно вдвое меньшее напряжение сдвига и вязкость по сравнению с таковыми на основе 2 %-х растворов.

Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

1. На реологические характеристики исследуемых композиций оказывает влияние как содержание твердой фазы, так и концентрация полимера, при этом более значимым фактором является именно концентрация полимера. Вид полимера не оказывает заметного влияния на свойства суспензий.

2. Вводимый пластификатор должен удовлетворять следующим требованиям: наилучшая текучесть шликера и максимально возможное содержание в нем твердой фазы при минимальном содержании полимера.

3. Для приготовления шликеров в качестве пластификатора целесообразно использовать №-КМЦ, так как его растворы проявляют тиксотропные свойства и шликеры разжижаются в процессе формования, что позволяет равномерно наносить ее на структурные элементы сетчато-ячеистой заготовки.

4. Для дальнейших работ целесообразно использовать шликеры на основе растворов пластификаторов с концентрацией не более 3 мас. % и содержанием твердой фазы до 55 мас. %.

0

0

а

0

0

б

1400 1200 1000 800 600 400 200 0

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Напряжение на сдвиг, Па

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Напряжение на сдвиг, Па

45%

50%

55%

45%

50%

55%

1400

„О 1200

S S 1000

03

CL 800

О

-& ш 600

а

_0 400

о

CL 200

О

б 0

200 400 600 800 1000 1200

Напряжение на сдвиг, Па

1400 1200 1000 800 600 400 200 0

500 1000 1500 2000 2500 3000 Напряжение на сдвиг, Па

45%

50%

55%

45%

50%

Рис. 3. Кривые течения шликеров с различным содержанием твердой фазы на основе 2 (а) и 3 мас. % (б) ПВС

и 2 (в) и 3 мас. % (г) Na-КМЦ

Литература

1. Гузман И. Я. Некоторые принципы образования пористых керамических структур. Свойства и применение (обзор) // Стекло и керамика. 2003. № 9. С. 28-31.

2. Макаров Н. А., Жирнов Р. В., Попова Н. А. Корундовая керамика с эвтектической цинксодержащей добавкой // Стекло и керамика. 2002. № 7. С. 13-14.

3. Макаров Н. А., Свердликов В. Л. Композиционный материал системы корунд — диоксид циркония — спекающая добавка // Стекло и керамика. 2005. № 11. С. 16-18.

4. Реологические свойства концентрированных водных суспензий на основе высокодисперсных кальцийфосфатных порошков / Н. С. Петрейкина и др. // Успехи в химии и химической технологии. 2014. Т. 28, № 8 (157). С. 74-76.

5. Cross. Malcolm M. Rheology of non-Newtonian fluids: A new flow equation for pseudoplastic systems // Journal of Colloid Science. 1965. Vol. 20, Issue 5. P. 417-437.

0

б

а

0

0

в

г

Сведения об авторах Акиншин Данил Вячеславович

магистрант, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия pishibotbl@mail.ru

Парамонова Надежда Дмитриевна

студентка, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия Россохина Людмила Анатольевна

студентка, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия Вартанян Мария Александровна

кандидат технических наук, доцент, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия

Яровая Оксана Викторовна

кандидат химических наук, доцент, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия

Akinshin Danil Vyacheslavovich

Master Student, D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia

pishibotbl@mail.ru

Paramonova Nadezhda Dmitrievna

Student, D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia Rossokhina Lyudmila Anatol'evna

Student, D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia Vartanyan Maria Aleksandrovna

PhD (Engineering), Associate Professor, D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia Yarovaya Oksana Viktorovna

PhD (Chemistry), Associate Professor, D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia

DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.215-219

УДК 54.04,542.61, 544-971.62, 544.3.032.72, 546.64,546.654-661

БАЗА ДАННЫХ И МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СОВМЕСТНОЙ ЭКСТРАКЦИИ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ИТТРИЯ В СИСТЕМЕ HCl — NaCl — H2O — МОНО-2-ЭТИЛГЕКСИЛОВЫЙ ЭФИР 2-ЭТИЛГЕКСИЛФОСФОНОВОЙ КИСЛОТЫ

М. А. Афонин12, А. В. Нечаев1, А. С. Сибилев1, А. В. Смирнов1

1 ООО «НПК "Русредмет"», г. Санкт-Петербург, Россия

2 Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет), г. Санкт-Петербург, Россия

Аннотация

Создана новая термодинамическая модель совместной экстракции редкоземельных элементов цериевой подгруппы, Eu, Gd, Tb, Dy (РЗЭ) и Y в системе LnCb — HCl — NaCl — H2O — моно-2-этилгексиловый эфир 2-этилгексилфосфоновой кислоты (P-507). Отличительные особенности модели — учет диссоциации P-507 в водной фазе и учет полученной нами зависимости константы диссоциации соляной кислоты от ионной силы водного раствора с использованием универсального набора уравнений. Модель описывает экстракцию металлов с экспериментальной точностью в интервале концентраций (моль/дм3): HCl — 0,0001-0,32, NaCl — 0-4,3, сумма LnCl3 — 0,01-0,97. Зависимости концентрационных констант образования в водной фазе хлоридных комплексов РЗЭ от ионной силы согласуются с литературными данными. Установлено, что основной экстрагируемой формой являются комплексы Ln(HA2)3. В базе данных представлено 690 значений коэффициентов распределения металлов для различных составов водной и органической фазы. Ключевые слова:

редкоземельные элементы, иттрий, экстракция, моно-2-этилгексиловый эфир 2-этилгексилфосфоновой кислоты, хлорид натрия, соляная кислота, математическое моделирование, термодинамические константы.

DATA BASE AND THE REE AND YTTRIUM EXTRACTION MATHEMATICAL MODEL IN HCl — NaCl — H2O — 2-ETHYLHEXYL PHOSPHONIC ACID MONO-2-ETHYLHEXYL ESTER SYSTEM

A. A. Afonin12, A. V.Nechaev1, A. S. Sibilev1, A. V. Smirnov1

1 LTD «RPC "Rusredmet"», Saint Petersburg, Russia

2 State Technological Institute (Technical University), Saint Petersburg, Russia Abstract

The new thermodynamic model of a joint extraction of rare earth elements of cerium subgroup Eu, Gd, Tb, Dy and Y in the LnCb — HCl — NaCl — H2O — 2-ethylhexyl phosphonic acid mono-2-ethylhexyl ester (P-507), has been created. Distinctive features of model are the accounting of P-507 dissociation in an aqueous phase and the accounting of the dependence of hydrochloric acid dissociation constant on ionic strength of aqueous solution calculated with a use of universal set of the equations. The model describes an extraction of metals with an experimental accuracy in the range of concentration (mol/dm3) HCl — 0,0001-0,32, NaCl — 0-4,3, LnCb sum — 0,01-0,97, The dependences of concentration