СПОСОБ ОБРАБОТКИ СЛЮДЫ
METHOD OF PROCESSING MICA

Изобретение относится к способам обработки слюды с целью получения нового пластинчатого материала, который может быть использован по новому назначению, а именно в радиационной защите в атомной промышленности, не ограничивая его применением в традиционных областях использования в качестве тепло-, звуко-, электроизоляционного материала, материала с высокими механическими свойствами.
Специалистам, работающим с природным минералом слюда, известно, что слюда обладает достаточно высокой радиационной стойкостью. Однако в таких отраслях, как атомная промышленность, необходимы материалы с максимально высокой радиационной стойкостью против любого вида ионизирующего излучения (альфа, бета, гамма и нейтронного) и желательно с небольшими толщинами. При этом из всех видов ионизирующего излучения гамма излучение обладает самой высокой проникающей способностью и теоретически никакая преграда не способна защитить от него полностью. Но первое место в рейтинге опасности занимает нейтронное излучение (быстрые нейтроны), поскольку нейтроны подобно гамма квантам легко проникают внутрь организма, но в отличие от гамма квантов, полностью поглощаются внутри него, вызывая большие разрушения внутри организма. В связи с вышесказанным защита именно от этих видов ионизирующего излучения является наиважнейшей.
В настоящее время применяются исключительно такие материалы, как тяжелые элементы (свинец и другие металлы с большим номером в таблице Менделеева). Но они дорогие, защита достаточно тяжелая и имеет большие размеры (толщина).
Задачей настоящего изобретения является разработка нового применения слюды, расширение области ее использования, а именно создание способа обработки слюды, в результате которого получают готовый к использованию пластинчатый материал из этого природного минерала с многократно увеличенной радиационной стойкостью в сравнении с природной необработанной слюдой, и, что очень важно, полученный пластинчатый материал имеет при этом очень тонкую толщину. Этот материал можно использовать в атомной промышленности, а также в других промышленностях, где необходима высокая степень радиационной защиты. Этот материал можно использовать и в строительстве домов в зонах с повышенной опасностью (нахождение около атомных электростанций) для облицовки стен, потолков.
Известно множество способов обработки слюды (см., например, патент РФ №2053884, авт. св. СССР №1574472, авт. св. СССР №833454), однако ни один из указанных способов обработки слюды не позволяет получить новый материал из этого минерала с многократно увеличенной радиационной стойкостью.
Известен способ переработки радиоактивных и токсичных донных отложений, в котором используют природные алюмосиликаты в качестве стеклообразующих компонентов (см. патент РФ №2195727 с датой приоритета от 12.07.2001).
Этот способ позволяет утилизировать указанные отходы с использованием слюд путем получения алюмосиликатных тугоплавких стекол, это хорошо. Но не позволяет получать слюду с многократно увеличенной радиационной стойкостью.
Известно использование слюды в качестве наполнителя в композиции для защитного покрытия, обладающего помимо антиобледенительных свойств химической и радиационной стойкостью (см. патент РФ №2213114 с датой приоритета от 13.03.2002).
Здесь слюда является лишь наполнителем, основную защитную функцию выполняют оксиды переходных металлов, а они очень дорогие.
Анализ отобранной в процессе поиска информации позволил выявить наиболее близкое техническое решение способа обработки слюды, включающего измельчение, выдержку в нагретом растворе соляной или серной кислот при температуре 50-105°С в течение 6-50 ч, фильтрацию, промывку фильтрата водой, просушку и термообработку при температуре 800-1000°С (см. авт. св. СССР №573354 на изобретение «Способ обработки слюды» Дата приоритета от 28.03.1975. МПК B28D 1/32. Прототип).
Известный способ позволяет получить новый пластинчатый продукт на основе слюды, который, однако, может быть использован в промышленности технических изделий традиционного использования слюды (тепло-, звуко-, электроизоляционный, жаростойкий, кислотоупорный материал). При этом неизвестно, обладает ли полученный новый пластинчатый слюдяной продукт многократно увеличенной радиационной стойкостью.
Таким образом, известные заявителю способы не позволяют получать новый продукт из слюды, который можно было бы использовать в атомной промышленности, а также в других отраслях, где необходим материал с повышенной радиационной стойкостью.
Заявляемое в качестве изобретения техническое решение способа обработки слюды позволяет достичь нового технического результата - получение нового пластинчатого материала из слюды, обладающего многократно увеличенной радиационной стойкостью в сравнении с необработанной природной слюдой и имеющего при этом маленькую толщину.
Следующая совокупность существенных признаков характеризует сущность предлагаемого в качестве изобретения технического решения и способствует достижению нового технического результата.
Способ обработки слюды путем выдержки ее в нагретом растворе кислоты с последующими промыванием и просушиванием отличается тем, что в качестве слюды используют тонко расщепленные пластины, в качестве кислоты берут высококонцентрированную муравьиную кислоту, выдержку в последней осуществляют в два этапа, после второго этапа выдержки осуществляют нейтрализацию кислой среды, причем на первом этапе выдержки в муравьиную кислоту дополнительно вводят тонко измельченную траву полыни, либо шалфея, либо ромашки, либо розмарина, либо гингко билоба, после выдерживания не более часа при температуре, не превышающей температуру вспышки кислоты, смесь кислоты с травой и пластинами слюды охлаждают до комнатной температуры и выдерживают в течение 50-150 часов, этот этап повторяют по большей мере 7 раз, после чего обработанные платины удаляют из смеси, на втором этапе выдержки слюды в свежую муравьиную кислоту той же концентрации дополнительно вводят кварцевый песок, этап осуществляют аналогично режиму первого этапа и в том же количестве, извлеченные после нейтрализации пластины промывают приготовленной суспензией, состоящей из воды, молока, поваренной соли и тонко измельченного силиката группы оливина.
Для достижения результата:
- нейтрализацию кислой среды осуществляют путем введения в смесь кислоты с пластинами слюды и кварцевым песком гипохлорита натрия,
- в качестве силиката группы оливина используют оливинит.
Итак, анализ выявленной информации о существующем уровне техники в области обработки слюды и сущность предложенного изобретения показали, что предлагаемое в качестве изобретения техническое решение способа обработки слюды отвечает критерию патентоспособности «новизна».
Для повышения радиационной стойкости Заявитель использовал физико-химическую модификацию слюды, то есть введение в нее различных веществ - антиоксидантов, борющихся со свободными радикалами, образовавшимися в результате воздействия ионизирующего воздействия извне, по трем возможным путям:
- одни антиоксиданты перехватывают свободные радикалы (например, слюда);
- другие обрывают цепи свободно радикальных реакций (например, указанные автором травы);
- третьи восстанавливают окисленные соединения (например, муравьиная кислота).
Слюда обладает достаточно высокой радиационной стойкостью (антиоксидант), является прекрасным адсорбентом ввиду ее совершенной микропористой структуры. Это свойство слюды заявитель использовал для ее физико-химической модификации (дополнительное насыщение антиоксидантами) с целью получения нового пластинчатого материала, обладающего повышенной радиационной стойкостью. Заявитель использовал тонко расщепленные пластины слюды, поскольку они легче насыщаются компонентами, которые используют для обработки слюды. Кроме того, это готовый к использованию после обработки пластинчатый материал.
Муравьиная кислота (М.к.) - это простейшая карбоновая кислота, но активнее других алифатических кислот, чем и объясняется выбор именно этой карбоновой кислоты.
Она легко вступает в реакции окисления-восстановления, присоединения, циклизации (как антиоксидант).
М.к. - сильный восстановитель, и автор рассматривает ее, как сильный антиоксидант в борьбе с окислителями в окислительных процессах. Это очень важно при радиационной защите в борьбе со свободными радикалами, ионами тяжелых металлов.
Муравьиная кислота, содержащаяся в процессе обработки в слюде, в результате радиационного воздействия работает как антиоксидант, усиливая радиационную стойкость самой слюды. Высокая концентрация взятой М.к. необходима для получения максимального эффекта, то есть максимального насыщения, что способствует многократному увеличению радиационной стойкости обработанной слюды.
Антиоксиданты должны работать в разных направлениях, чтобы поддерживать окисленный антиоксидант и его восстановить. Поэтому заявитель использует несколько антиоксидантов (муравьиная кислота, молоко, травы, а также оливинит и хлорид натрия), максимальный эффект антиоксиданты дают, действуя парами или даже группами. Ведь отдав свой электрон свободному радикалу, сам антиоксидант окисляется и становится неактивным. Чтобы вернуть его в рабочее состояние, его нужно снова восстанавливать. Например, глутатион восстанавливает витамин С, а витамин С восстанавливает витамин Е.
С целью максимального насыщения слюды антиоксидантами, работающими в разных направлениях (для максимального эффекта), заявитель проводит выдержку слюды в М.к. с добавлением в последнюю разных антиоксидантов и в 2 этапа.
На первом этапе дополнительно вводит в М.к. антиоксидант: тонко измельченную траву полыни, либо шалфея, либо ромашки. Именно эти травы содержат большое количество витаминов С, Е, А, водные экстракты трав - биофлаваноиды. Таким образом, указанные травы являются сильнейшими антиоксидантами. Для максимального эффекта заявитель вводил не водный экстракт трав в М.к., а тонко измельченные травы, поскольку нежелательно снижать концентрацию М.к. Неоднократная выдержка пластин слюды сначала в нагретой М.к. с травой, затем при комнатной температуре позволяет максимально насытить пластины указанными антиоксидантами.
Использование на втором этапе выдержки слюды в М.к. кварцевого песка заявитель рассматривает как абразив для чистки поверхности слюды для лучшего максимального насыщения слюды муравьиной кислотой.
Температурный режим этапов выдержки слюды определяется свойствами М.к., а именно тем, что М.к. - это легко воспламеняющаяся жидкость (температура воспламенения 60°С).
После второго этапа выдержки заявитель проводит нейтрализацию кислой среды путем введения в смесь кислоты с пластинами слюды и кварцевым песком гипохлорита натрия. Нейтрализацию можно проводить и другими веществами (щелочами), но гипохлорит натрия дешевый компонент, химически неопасный продукт, обладающий антибактериальными свойствами. Нейтрализация необходима для эффективности осуществления следующей стадии способа, промывание суспензией, которая имеет свою кислую среду (компоненты молока придают) и для дальнейшего насыщения слюды на стадии промывания.
Извлеченные после нейтрализации кислой среды пластины слюды промывают приготовленной суспензией следующего состава: вода, молоко, поваренная соль (растворяют в воде с молоком), тонко измельченный силикат группы оливина, оливинит.
Использование именно этих компонентов заявитель объясняет тем, что помимо промывания идет дополнительное насыщение пластин слюды этими компонентами, являющимися антиоксидантами.
Молоко обладает высокими бактерицидными свойствами в силу присутствия фосфорно-кислых и лимонно-кислых солей. Это обеспечивает высокий эффект очистки слюды и обогащение слюды полезными содержащимися в молоке такими компонентами, как витамины С, Е, В, аминокислоты, жирные кислоты.
Окислительно-восстановительный потенциал - это способность составных веществ молока присоединять или терять электроны. Молоко содержит химические соединения, способные легко окисляться и восстанавливаться: витамин С, витамин Е, витамин В, аминокислоту цистеин, кислород, ферменты (антиоксиданты). Окислительно-восстановительный потенциал молока обозначается Е и равен 0,25÷0,35 В.
Большое количество воды, которой насыщается слюда, также усиливает радиационную стойкость слюды, поскольку вода почти в 2 раза ослабляет действие ионизирующего излучения (статические научные данные).
Хлорид натрия (поваренная соль)
Автор также рассматривает как антиоксидант консервант, содержащий ионы кальция, магния, калия, сульфата, оксид железа. Хлорид натрия - поставщик указанных ионов. Слюда насыщается этими ионами, которые нужны для восстановления антиоксидантов, окисленных в процессе облучения.
2
4
Оливинит - (Mg,Fe)SiO, ортосиликат. Автор рассматривает 2 функции оливинита - абразив и поставщик ионов металлов магния, железа (функция антиоксиданта), хотя он и слабо растворим в воде. Растворенный в воде (в том числе и за счет образования угольной кислоты из воды и атмосферного углекислого газа), оливинит выделяет ионы магния, железа.
Поэтому приготовленная из воды, молока, поваренной соли и оливинита суспензия, с одной стороны, является чистящим компонентом (для лучшего насыщения пластин антиоксидантами). А с другой стороны, поставщиком ионов, которые затем участвуют в окислительно-восстановительных процессах в ходе радиационной защиты.
Использование автором-заявителем именно оливинита (алюмосиликат группы оливина) объясняется лишь большей доступностью, чем остальные алюмосиликаты данной группы.
В результате такой физико-химической модификации слюды получают новый пластинчатый материал, обладающий многократно увеличенной радиационной стойкостью по сравнению с природной необработанной слюдой.
Таким образом, предлагаемая совокупность существенных признаков обеспечивает получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
В ходе проведенного заявителем поиска информации в области обработки слюды обнаружены отдельные отличительные признаки заявленного изобретения.
Использование молока и трав при обработке слюды (см. патент РФ №2496470 с датой приоритета от 05.05.2012)
При этом совокупность существенных отличительных признаков предлагаемого изобретения, способа обработки слюды, способствующая достижению нового технического результата, и ее влияние на последний из существующего уровня техники не обнаружена.
Именно совокупность существенных отличительных признаков позволяет получить новый технический результат - получение нового пластинчатого материала из слюды, обладающего многократно увеличенной радиационной стойкостью по сравнению с природной необработанной слюдой и имеющего маленькую толщину.
Следовательно, предлагаемое изобретение в вариантах обладает таким критерием патентоспособности как «изобретательский уровень».
Сущность технического решения, предлагаемого в качестве изобретения, поясняется с помощью ниже приведенного примера.
2
3
10
2
В качестве образцов используют тонко расщепленные пластины природной слюды, в частности мусковит. Химическая формула KAl(AlSiO)(ОН). Температура плавления 1250-1400°С.
Для выдержки пластин слюды берут техническую муравьиную кислоту (М.к.) марки А по ГОСТ 1706-78.
На первом этапе выдержки пластин слюды в М.к. дополнительно вводят тонко измельченную траву. Например, полынь горькую тонко измельчают и добавляют в М.к., в полученную смесь средней консистенции кладут пластины слюды. Пропорция М.к. и травы определена опытным путем и является ноу-хау автора. Но пластины слюды должны быть полностью покрыты смесью М.к. с травой, это необходимо для максимального насыщения слюды антиоксидантами. Вместо полыни аналогичные результаты были получены при использовании трав ромашки, шалфея, розмарина, гингко билоба.
Затем постепенно нагревают до температуры, не превышающей температуру вспышки М.к., не выше 60°С. В нагретой смеси М.к. с травой пластины выдерживают не более часа, время определено опытным путем и является оптимальным. Затем постепенно охлаждают до комнатной температуры и выдерживают в течение 50-150 часов (время выдержки определено экспериментальным путем и является оптимальным). Этот первый этап выдержки слюды в смеси М.к и травы (нагретой и охлажденной до комнатной температуры) повторяют по большей мере 7 раз. Количество выдержки пластин в смеси М.к. с травой также определено опытным путем и является оптимальным.
Затем платины слюды удаляют из этой смеси.
В свежую М.к. той же концентрации дополнительно вводят кварцевый песок и кладут пластины слюды, обработанные на первом этапе выдержки. Пропорция М.к. и кварцевого песка определена опытным путем и является ноу-хау автора. Но пластины слюды должны быть полностью покрыты М.к., это необходимо для максимального насыщения слюды антиоксидантами.
Этот второй этап выдержки слюды в этой смеси М.к и кварцевого песка (нагретой и охлажденной до комнатной температуры) осуществляют аналогично режиму первого этапа и в том же количестве. Количество выдержки пластин в смеси М.к. с кварцевым песком также определено опытным путем и является оптимальным.
После второго этапа выдержки осуществляют нейтрализацию кислой среды путем введения в смесь М.к. с пластинами слюды и кварцевым песком гипохлорита натрия. Гипохлорит натрия используют промышленного назначения по ГОСТ 11086-76.
Извлеченные после нейтрализации пластины промывают. Для этого в отдельных емкостях готовят суспензию. В воду добавляют необходимое количество молока, добавляют поваренную соль, растворяют, затем вводят слабо растворимый в воде при обычных условиях тонко измельченный силикат группы оливина, оливинит. Таким образом, суспензия готова. Соотношение компонентов определено опытным путем, является ноу-хау автора.
В эти емкости опускают пластины слюды, аккуратно переворачивая. После промывания пластины отправляют на просушивание в естественных условиях.
Все операции осуществляют в закрытых емкостях. Для промышленной выдержки можно использовать чаны.
Испытания полученных пластин слюды проводили специалисты в лабораторных условиях в одном из известных в РФ НИИ на линейных ускорителях быстрыми нейтронами и γ-квантами. Радиационные исследования образцов горной слюды были проведены в полях нейтронного и гамма-излучений со следующими параметрами:
4
6
2
- нейтронное излучение с энергией от 50 кэВ до 8 МэВ, плотность потока от 10 до 10 нейтр./см·с;
4
6
2
- гамма-излучение с энергией от 60 кэВ до 1,5 МэВ, интенсивность от 10 до 10 фотон/см·с;
Сравнение проводили с необработанными пластинами слюды. Результаты испытаний показали, что радиационная стойкость обработанных указанным способом пластин слюды повысилась в сравнении с необработанными в 7-15 раз (в зависимости от технологического режима обработки пластин слюды, от энергии источника излучения и т.п.). Эти данные являются ноу-хау автора. Однако им приведены сравнительные характеристики в условных единицах, подтверждающие полученные данные. См. Таблицу. Радиационная стойкость необработанной природной слюды (тонко расщепленные необработанные пластины) автором условно принята за 1.
Данные, приведенные в Таблице, свидетельствуют об оптимальности предлагаемых пределов технологического режима и компонентов, о высоком качестве физико-химической модификации слюды, максимальном обогащении слюды антиоксидантами.
Таким образом, в результате применения заявляемого способа достигается новый технический результат - получение нового пластинчатого материала из слюды, обладающего многократно увеличенной радиационной стойкостью по сравнению с необработанной природной слюдой и имеющего маленькую толщину.
Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Предлагаемое изобретение позволяет использовать слюдяное минеральное сырье, обеспечивая ее новое применение, расширение области ее использования, а именно в атомной промышленности для радиационной защиты атомных реакторов, обладая небольшими массой, габаритами, маленькой толщиной, что чрезвычайно важно в радиационной защите. Кроме того, получают радиационную защиту сравнительно недорогую в сравнении с тяжелыми металлами таблицы Менделеева. Новый пластинчатый материал можно использовать и в строительстве домов в зонах повышенной радиационной опасности для облицовки стен, потолков. Такой тонкий материал, обеспечивающий высокую радиационную защиту, может найти самое широкое применение во многих других отраслях промышленности.