Свойства кремнийалюмомагниевых прекурсоров кордиеритовой керамики, полученных по мицеллярной технологии

УДК 546-05

Р. Г. Романова, А. Ф. Дресвянников, А. М. Губайдуллина,

В. А. Гревцев

СВОЙСТВА КРЕМНИЙАЛЮМОМАГНИЕВЫХ ПРЕКУРСОРОВ КОРДИЕРИТОВОЙ КЕРАМИКИ, ПОЛУЧЕННЫХ ПО МИЦЕЛЛЯРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Ключевые слова: прекурсоры кордиеритовой керамики, морфология, термический анализ.

Методами просвечивающей электронной микроскопии и комплексного термического анализа изучены морфология и фазовые переходы прекурсоров кордиеритовой керамики полученных химическим методом с использованием обращенной мицеллярной системы в качестве нанореактора.

Nanodispersed silicon dioxide was chemically obtained with the use of reversed micelles system as a nanoreactor. The morphology and phase transformation of samples have been investigated by TEM and thermic analysis.

Keywords: precursors cordyerite of ceramics, the morphology, thermic analysis

Проблемы формирования прекурсоров керамических материалов с однородной уплотненной структурой, способствующей более полному и быстрому фазовому переходу при более низких температурах, остается весьма актуальной и в настоящее время. Одним из перспективных направлений в получении диоксида кремния и керамических материалов на его основе с заданными свойствами является использование золь-гель технологии, получившей в последнее время широкое распространение благодаря простоте и доступности используемых реактивов и оборудования [1-4].

Целью данной работы являлось изучение термического поведения и морфологии прекурсоров кордиеритовой керамики, полученных методом соосаждения гидроксидов магния, алюминия и кремния в мицеллярной наносистеме по методике, описанной в [5]. В качестве ПАВ использовали н-каприновую кислоту, а растворителем являлся хлороформ илил н-гептан. Для получения прекурсоров рассчитанные количества водных растворов нитратов алюминия, магния и жидкого калиевого или натриевого стекла смешивали с органической мезофазой, в которую была предварительно введена карбоновая кислота в количестве, превышающем критическую концентрацию мицеллообразования. Полученная мезофаза представляет собой обращенную мицеллу, гидрофильная часть которой находится внутри, образуя полярное ядро, представляющее собой «нанореактор», в котором протекает формирование гетерогенной фазы оксидов алюминия, магния и кремния, являющихся прекурсорами кордиеритовой керамики. Последующее разрушение мезофазы приводит к быстрой коагуляции гидрооксидов с образованием геля. По описанной методике было получено 4 образца, которые были исследованы термическими и электронномикроскопическими методами.

Морфологию и размеры частиц полученных коагелей исследовали методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) с использованием электронного микроскопа ЭММА-4. Препараты были приготовлены нанесением капли на коллодиевую пленку-подложку с медной сеточкой и последующим напылением углеродом в вакуумной установке ВУП-4. Ускоряющее напряжение 75 Кв.

На рисунке 1 представлен характерный снимок образца, полученного с использованием жидкого натриевого стекла по данной технологии.

Рис. 1 - Образец 3, увеличение 58000

Полученные прекурсоры представляют собой коллоидную дисперсную систему, образованную как раздельными, так и коагуляционными фазами. В соответствии с данными электронной микроскопии наиболее характерны следующие морфологические формы частиц:

- удлиненно-пластинчатые, размерами ~ 180 -1000*700 -2800 нм;

- темные и полупрозрачные округлые и слегка ограненные частицы размером ~ 40 - 200 нм, склонные к ассоциациям;

- игольчатая форма в виде скоплений (размер игл: длина ~ 60-100 нм, диаметром ~ 1020 нм; встречается реже всего

- аморфная структура, образующая плотные полупрозрачные и темные скопления различных форм (смесь «золь-гель»).

Синтезированные образцы были исследованы методом дифференциального термического анализа с использованием дериватографа Q-1500D в интервале 25 - 1000оС, скорость нагрева составляла 10К/мин.

Результаты термического анализа представлены в таблице 1, из которой видно, что термоаналитические кривые характеризуются эндотермическими эффектами в области 25 -300оС, соответствующими удалению молекул воды различной координации, а также экзотермическим эффектом при 510 - 530оС, характерным для фазового превращения оксида алюминия.

Таким образом, в результате проведенной работы были получены и исследованы методами термогравиметрии и просвечивающей электронной микроскопии образцы прекурсоров кремнийалюмомагиевой керамики, которые в дальнейшем будут использованы для дальнейшего синтеза керамических материалов с улучшенными характеристиками.

Таблица 1- Результаты комплексного термического анализа

№ обр. Концентрация ЖС по ЭЮг, моль/л (растворитель) Температурный интервал, °С (Т максимума эффекта) потеря массы, % мас. Общая потеря массы, % мас.

1 1,83 (хлороформ) * 25-185(107) 19,26 185-265(206) 12,02 265-460(289) 11,29 460-700(516) 4,37 47,91

2 1,22 (хлороформ) * 25-185(128) 21,27 185-265(206) 12,73 265-450(292) 12,85 450-700(528) 5,13 52,94

3 1,22 (н-гексан)* 25-180(101) 23,85 180-260(205) 12,71 260-400(284) 10,98 400-700(—) 6,06 55,80

4 1,09 (хлороформ)** 25-175(96) 17,33 175-270(206) 13,83 270-470(307) 8,92 470-700(510) 4,01 44,45

* Натриевое жидкое стекло, ** - калиевое жидкое стекло.

Исследование выполнено в рамках госконтракта №16.740.11.0130 по федеральной

целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 20092013 годы».

Литература

1. Трубников, И.Л. Использование прекурсоров в синтезе оксидных керамических материалов / И.Л.Трубников // Огнеупоры и техническая керамика. - 2003. №7. - С. 14-21.

2. Айлер, Р.К. Химия кремнезема/ Р.К. Айлер. Пер. с англ. Т.1,2. М.: Мир, 1982. - 712 с.

3. Савченко Н.С. Золь-гель синтез кремнезема и изготовление на его основе тиглей для плавления / Н.С.Савченко, О.И.Подкопаев, М.Н.Васильева // Огнеупоры и техническая керамика. - 2007. - №1. -С.30 - 34.

4. Каграманов, Г.Г. Моделирование золь-гель процесса получения селективных слоев керамических мембран / Г.Г.Каграманов, П.В.Холкин, Е.А. Лукашев // Огнеупоры и техническая керамика. - 2001.-№5. - С. 2 - 12.

5. Романова, Р.Г. Химический синтез прекурсоров кордиеритовой керамики / Р.Г. Романова, А.Ф. Дресвянников, А.Р.Абдуллина // Вестник Казан. технол. ун-та. -2010. - №10 . - С. 680-681 .

© Р. Г. Романова - канд. хим. наук, доц. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КГТУ, romanova_rg@mail.ru; А. Ф. Дресвянников - д-р хим. наук, проф. той же кафедры alfedr@kstu.ru; А. М. Губайдуллина - канд. техн. наук, руководитель отдела аналитических исследований ФГУП ЦНИИГеолнеруд; В. А. Гревцев - канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. ФГУП ЦНИИГеолнеруд