Состав оксидных кремнийсодержащих нанодисперсных систем, синтезированных по мицеллярной технологии

УДК 546.05

Р. Г. Романова, А. Ф. Дресвянников, А. Р. Абдуллина СОСТАВ ОКСИДНЫХ КРЕМНИЙСОДЕРЖАЩИХ НАНОДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ, СИНТЕЗИРОВАННЫХ ПО МИЦЕЛЛЯРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Ключевые слова: химический состав, прекурсоры кордиеритовой керамики, диоксид кремния, мицеллярная

технология.

Химическими и термическими методами установлен состав нанодисперсных оксидных систем на основе диоксида кремния, полученных по мицеллярной технологии

Keywords: chemical composition, precursors of cordyerite ceramics, silicon dioxide, micellar technology

The composition nanodispersed oxides of systems on the basis of a dioxide of the silicon, received on micellar technology, are established by chemical and thermal methods

Керамические материалы все шире используются в технике. Разнообразие областей применения керамических изделий основывается на их характерных свойствах, которые во многих отношениях недостижимы для других материалов. В настоящее время проявляется всё более значительный интерес к кордиеритовой керамике. Актуальность этого материала обусловлена рядом её ценных свойств, таких, как низкий температурный коэффициент линейного расширения, способность противостоять резким перепадам температур, высокая химическая стойкость, диэлектрические свойства [1].

Кордиеритовая керамика представляет собой сложное соединение в системе МдО-А^Оз-SiO2, получаемое из формовочной массы заданного химического состава из минералов и оксидов металлов. Ее свойства находятся в зависимости от взаимосвязанных между собой параметров: химического и фазового составов, макро- и микроструктуры, а также технологических приемов изготовления [1-4].

Перспективным методом получения высокодисперсных прекурсоров кордиеритовой керамики, в частности, диоксида кремния, является синтез с использованием мицеллярной технологии. Ранее нами был проведен синтез диоксида кремния в мицелярной системе, представляющей собой мезофазу поверхностно-активного вещества с дифильным строением в органическом растворителе [5-7]. Показано, что сформированные в процессе синтеза гели диоксида кремния представляют собой коллоидную дисперсную систему, образованную как раздельными, так и коагуляционными фазами. При термической обработке оксидов с использованием таких нанодисперсных частиц формируются структуры, обеспечивающие однородное уплотнение, способствующее более полному и быстрому фазовому переходу в кордиерит при более низких температурах.

В настоящей работе представлены результаты определения состава образцов, полученных по мицеллярной технологии. Образцы были получены по описанной в работе [5] методике с использованием в качестве сырья растворов жидкого калиевого и натриевого стекла (ЖС) различной концентрации. После осаждения полученные образцы промывали большим количеством воды и впоследствии подвергали предварительной сушке при температуре 90 0С в течение 3-х часов. Для определения содержания воды в составе образцы высушивали до постоянной массы при температуре 1050С и прокаливали при температуре 10000С. Условия получения образцов и результаты прокаливания приведены в таблице 1.

Определение содержания диоксида кремния проводили гравиметрическим методом после разложения пробы сплавлением с безводным карбонатом, выщелачивания плава и последующего осаждения кремнекислоты желатиной при нагревании из полученного раствора. Определение содержания калия и натрия проводили методом пламенной фотометрии. Результаты определения содержания оксидов кремния и щелочного металла, а также структурной воды приведены в таблице 2.

Таблица 1 - Условия получения и потери при прокаливании синтезированных образцов

Шифр образца Жидкое стекло, используемое в синтезе Концентрация жидкого стекла, моль/л Потери при высушивании и прокаливании при температуре, % мас.

105 0С 1000 0С

1 N828103 2,19 7,06 16,96

2 N828103 3,65 6,89 17,48

3 N828103 7,30 4,87 18,92

4 К28Ю3 1,31 5,24 14,29

5 К28Ю3 2,18 5,97 13,75

6 К28Ю3 4,36 8,94 17,66

Таблица 2 - Химический состав синтезированных образцов

Шифр образца ю, % в сухом веществе П, моль в 100 мг вещества Состав, моль БЮ2 : М2О* : Н2О

ЭЮ2 N820 К2О Э102 N820 Н2О К2О

1 59,10 23,61 - 0,9850 0,3808 0,9422 - 1,00 : 0,39 : 0,96

2 58,10 23,75 - 0,9683 0,3831 0,9711 - 1,00 : 0,39 : 1,00

3 57,40 24,38 - 0,9567 0,3932 1,0511 - 1,00 : 0,41 :1,10

4 63,70 - 20,90 1,0617 - 0,7939 0,3374 1,00 : 0,32 : 0,75

5 63,83 - 21,23 1,0638 - 0,7639 0,3424 1,00 : 0,32 : 0,72

6 59,70 - 21,16 0,8783 - 0,9811 0,3413 1,00 : 0,34 : 0,99

* Соответствующий ион щелочного металла.

Структура геля представляет собой совокупность связанных друг с другом элементарных частиц приблизительно сферической формы с диаметром около 1000 нм. Элементарная частица представляет собой нерегулярную трехмерную сетку из тетраэдров 8104, где каждый атом кремния соединен с четырьмя атомами кислорода, а каждый атом кислорода- с двумя атомами кремния.

Основным фактором, определяющим величину поверхности и размеры частиц, является размер элементарных частиц. В водных растворах размеры элементарных частиц зависят от скорости и длительности конденсации кремниевой кислоты.

В случае протекания реакции в «нанореакторе» размеры элементарных частиц будут определяться размерами мицелл, т. е. будут находиться в зависимости от природы реагентов и условий проведения реакции. Ограничения в размерах мицелл накладывают ограничения и на размеры элементарных частиц золя диоксида кремния, что отражается на плотности гидратированного слоя вокруг молекулы 8Ю2.

Как видно из данных таблицы 2, при использовании каприновой кислоты в качестве мицеллообразователя на 1 моль диоксида кремния приходится 1 молекулы воды для образцов,

полученных с использованием натриевого ЖС. Гидратная оболочка меньшего размера наблюдается при использовании калиевого ЖС с концентрацией до 2,18 моль/л: на 1 молекулу 8Ю2 приходится 0,7 молекул воды. Обнаруженные различия могут быть обусловлены природой жидкого стекла. Снижение содержания воды в составе коагеля представляется очень важным моментом в синтезе диоксида кремния как прекурсора технической керамики, т. к вода играет отрицательную роль при формировании фаз керамических материалов в процессе термической обработки.

Результаты химического анализа исследованных образцов свидетельствуют о том, что концентрация растворов ЖС, как калиевого, так и натриевого, практически не влияет на содержание щелочного металла в составе продукта синтеза. В то же время, абсолютное содержание этих ионов при использовании калиевого ЖС ниже по сравнению с натриевым. На основании полученных результатов сделаны выводы о неполном протекании реакции ионного обмена в процессе синтеза по предложенной методике и предложены рекомендации по последующему удалению ионов щелочных металлов из полученных нанодисперсных систем путем кислотной или электрохимической отмывки.

Исследование выполнено в рамках госконтракта №16.552.11.7012 в рамках федеральной целевой программы «Развитие центром коллективного пользования научным оборудованием комплексных исследований в области создания композиционных полимерных и керамических материалов на основе наночастиц, полученных электрофизическими, электрохимическими, сверхкритическими флюидными методами».

Литература

1. Зинько, Э.И. Электроизоляционная техническая керамика / Э.И. Зинько, И.А., Светкова. - М.: Стройиздат, 1968. - 243с.

2. Березин, В.Б. Электротехнические материалы./ В. Б. Березин, Н. С. Прохоров, Г. А. Рыков,

A. М. Хайкин. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 504 с.

3. Балкевич, В.Л. Техническая керамика./ В.Л. Балкевич. - М.: Стройиздат, 1984. - 256 с.

4. Хабас, Т.А. Синтез керамических прекурсоров кордиерит-нитридного состава /Т.А.Хабас // Огнеупоры и техническая керамика. - 2004. №12. - С. 5 - 13.

5. Романова, Р.Г. Мицеллярный синтез и свойства нанодисперсного диоксида кремния / Р.Г. Романова, А.Ф. Дресвянников, О.В.Кузьмина, А.М.Губайдуллина, В.А.Гревцев //Вестник Казан. технол. ун-та..- 2010.-№ 8. -С.448-451.

6. Романова, Р.Г. Керамические материалы, синтезированные методом искрового пламенного спекания / Р.Г. Романова, В.Н.Доронин, Н.И.Наумкина, А.Ф. Дресвянников, А.Р.Абдуллина // Вестник Казан. технол. ун-та. -2011. - Т. 14, №11 . - С. 34-38.

7. Романова, Р. Г. Свойства кремнийалюмомагниевых прекурсоров кордиеритовой керамики, полученных по мицеллярной технологии /Р.Г. Романова, А.Ф. Дресвянников, А.М.Губайдуллина,

B.А.Гревцев //Вестник Казан. технол. ун-та..- 2011. - Т. 14, № 11. -С.260-262.

© Р. Г. Романова - канд. хим. наук, доц. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КГТУ, romanova_rg@mail.ru; А. Ф. Дресвянников - д-р хим. наук, проф. той же кафедры; А. Р. Абдуллина - магистр КГТУ.