Ранее нами было установлено, что коллоидный раствор олигопептидов (КРОП), введенный в керамическую массу, позволяет существенно увеличить формуемость керамических масс, повысить прочность керамического черепка и его морозостойкость при снижении плотности [1].
Была высказана гипотеза о возможности образования наноструктурных элементов уже на стадии получения исходной керамической массы, включающей глину, отощающую добавку в виде кварцево-полевошпатового песка и воду. При введении в такую массу некоторого количества КРОП происходит увеличение пластичности смеси, другими словами, в данном случае КРОП вызывает пластификацию смеси как поверхностно активное вещество, позволяющее значительно снизить содержание воды в смеси и одновременно повысить формуемость керамической массы. Этот вывод сделан на основании экспериментального исследования, результаты которого представлены на графике (рис. 1).
Мерой формуемости считали прочность сырца, полученного при давлении 150 МПа, при постоянном составе твердой части керамической массы.
Рис. 1. Зависимость формуемости керамической массы от содержания воды и КРОП. Цифры на графике – значения прочности в кг/см2
В [2] было высказано предположение, что за счет присутствия КРОП формируется плотная керамическая масса, КРОП, вступая в контакт с глинистыми минералами, вызывает их дезагрегацию, что приводит к образованию более регулярной микроструктуры сырца. При сушке КРОП сохраняется в межзерновом пространстве материала, а при последующем обжиге играет роль темплата. Во время обжига КРОП частично выгорает, создавая регулярную микропористость наноразмеров. Одновременно сохранившиеся наночастицы углерода играют роль инициаторов кристаллизации силикатного расплава, образующегося при обжиге. За счет описанных процессов керамический черепок приобретает повышенную прочность, пониженную плотность и высокую морозостойкость.
В последующих экспериментах было исследовано поведение силикатных и алюмосиликатных дисперсий в воде в присутствии КРОП.
Было установлено, что взаимодействие таких дисперсий с КРОП выражается, в первую очередь, в повышении агрегативной устойчивости этих дисперсий, причем выяснено, что степень дезагрегации частиц дисперсий фазы тем выше, чем меньше величина Fsi, характеризующая связности кремния силиката или алюмосиликата с кислородом [3, 4, 5]. При величине Fsi более чем 0,333, агрегативная устойчивость дисперсной фазы за счет КРОП при температуре до 100 °С практически не изменяется.
Следующая серия экспериментов ставила целью выяснить, имеет ли место какое-либо взаимодействие между КРОП и дисперсиями тех же веществ с Fsi выше 0,333 при более высоких температурах.
С этой целью из материалов, использованных в экспериментах по влиянию КРОП на агрегативную устойчивост дисперсий, (таблица), формовали образцы-цилиндры диаметром и высотой 2 см.
700 °C
800 °C
900 °C
1000 °C
1100 °C
Рис. 2. Зависимость прочности образцов от значения Fsi при различных температурах. Под графиками указана температура термообработки образцов
Характеристики использованных материалов
|
Материал |
Fsi |
Удельная поверхность, м2/кг |
|
Цемент |
0,164 |
390 |
|
Терриконик |
0,259 |
410 |
|
Иллит |
0,265 |
410 |
|
Диабаз |
0,312 |
410 |
|
Монтмориллонит |
0,333 |
410 |
|
Фарфор |
0,367 |
410 |
|
Микрокремнезем |
0,456 |
1260 |
В данном случае в качестве связки использовали жидкое стекло с относительной плотностью 1,32 г/см3 с силикатным модулем 2,89 в количестве 4 % от массы сухого вещества. Образцы формовали при давлении 15 МПа. В сырьевую смесь для половины образцов добавлял 5 % КРОП.
При этом было обнаружено, что смесь микрокремнезема с жидким стеклом и КРОП образует плотную упругую каучукоподобную массу, не поддающуюся формованию при выбранном давлении. По этой причине исследования свойств смесей с микрокремнеземом были проведены по другой методике и будут описаны в отдельной статье. Особенно интересными оказались эксперименты по исследованию водостойкости таких составов.
1а
1б
2а
2б
3а
3б
Рис. 3. Электронно-микроскопические фотографии с изломов образцов спеков при температуре 1100 °С: 1а и 1б – иллит; 2а и 2б – диабаз; 3а и 3б – монтмориллонит:а – без добавки; б – с добавкой 5 % КРОП
После формования остальные образцы высушивали при температуре 85–90 °С, а затем обжигали в муфельной печи при температурах 700, 800, 900 и 1050 °С.
Обожженные образцы после охлаждения испытывали на прочность при сжатии, водопоглощение, водостойкость, определяли их плотность.
На рис. 2 показана зависимость прочности от степени связности кремния с кислородом при разных температурах. Судя по результатам испытаний, влияние КРОП на прочность спека зависит от Fsi, тем заметнее, чем ниже значение этого параметра силиката и выше температура обжига.
Электронно-микроскопическое исследование спеков показывает, что в присутствии КРОП степень кристаллизации спеков всегда выше, а кристаллики мельче, чем без КРОП.
Электронно-микроскопическое исследование спеков показывает, что в присутствии КРОП степень кристаллизации спеков всегда выше, а кристаллики мельче, чем без КРОП (рис. 3).
На основании описанных экспериментов можно заключить, что влияние коллоидного раствора олигопептидов на структурообразование спеченных алюмосиликатов тем значительней, чем меньше степень связности кремния с кислородом в исследованных силиката. В то же время, это влияние тем сильнее, чем выше температура при которой происходит спекание образцов.
Проведенные эксперименты позволяют утверждать, что выбранный для оценки степени влияния КРОП на свойства дисперсии силикатов в воде параметр Fsi может служить критерием по крайней мере для прогноза направления изменения таких свойств, как степень дисперсности, агрегативная устойчивость и прочность спека.
Рецензенты:
Онорин С.А., д.х.н., профессор кафедры химии и биотехнологии Пермского национального исследовательского политехнического университета, г. Пермь;
Пономарев А.Б., д.т.н., профессор кафедры строительного производства и геотехники Пермского национального исследовательского политехнического университета, г. Пермь.
Работа поступила в редакцию 22.10.2012.