Известно, что для получения композиционных материалов используются минеральные, опал-кристобалитовые породы, в том числе трепелы [1, 2].
Особенностью структуры трепелов является их микропористое внутреннее строение при аморфном состоянии кремния. Совокупность внутренних каналов и полостей создает систему пор, поверхность которых может составлять сотни квадратных метров на 1г.
Химический и вещественный состав трепела, как правило, представленный аморфным кремнеземом и примесью глинистых минералов, а также физические и химические свойства, из которых главными являются высокая пористость, малая объемная масса, значительная термостойкость и химическая стойкость по отношению к кислотам делают трепел сырьем многоцелевого назначения, используемым для производства широкого круга строительных материалов. Микропористая структура, обладающая высокой термической и химической стабильностью и содержащая активные обменные катионы, обуславливает уникальные адсорбционные и катионообменные свойства трепелов, имеющих способность к обратимому катионному обмену (восстановлению начальных сорбционных свойств) без разрушения кристаллической решётки. Полуфабрикаты из цеолитов имеют свойство вспениваться в объёме 1:10 в процессе отжига при температуре 650–750 °С с получением конструкционных строительных материалов с очень низкой теплопроводностью и областью применения от минус 100 °С до плюс 700 °С. Известно, что в строительстве более75 % добытых трепелов используется как активная добавка для цементной промышленности, а около 24 % идёт на производство теплоизоляционных и строительных материалов. Удельный вес у таких стройматериалов меньше в 50раз, чем у воды [5].
В промышленности, благодаря своим специфическим свойствам (высокому содержанию активного опалового и опал-кристобалитового кремнезема тонкой пористости и легкости, высокой удельной поверхности и др.) используются как гидравлические материалы в производстве портландцементов, различных наполнителей, осушителей, известково-трепельных вяжущих и являются незаменимым сырьем для получения жидкого стекла, огнеупорного и термостойкого кирпича, адсорбентов в текстильной, нефтехимической, пищевой промышленности, в производстве антибиотиков, бумаги, красок, в качестве добавки, загустителей в органических системах, таких как краски и покрытия, смазочные материалы, пластмасс, синтетического каучука, клеев, герметиков, как сырьё для жидкого стекла и глазури в производстве сухих строительных смесей в качестве активного микронаполнителя, для теплоизоляции стен и заполнения каркасов зданий, полировального материала для металлов и облицовочных камней. Как добавка в корма для птиц, рыбы и животных, в производстве удобрений, для мелиорации грунтов и очистки водоемов, широкое применение трепел нашел в производстве асфальтобетонов. Кроме того, он используется при изготовлении различных товаров для общего потребления (средства для устранения запаха, моющие и чистящие средства, средства для борьбы с насекомыми, наполнитель для животного туалета и т.д.) и даже атомной промышленности.
Трепел нашел применение в строительстве, в производстве пеностекла (добавка из перемолотого трепела в процессе изготовления увеличивает теплоизоляционные свойства и срок эксплуатации у пеностекла), товарных и ячеистых бетонов, в составе сухих строительных смесей, в изготовлении картона и изоляционных материалов. Особые свойства структуры минерала ускоряют процесс затвердевания цементного раствора, изготовленного с его добавкой при производстве самого цемента. Вцелях повышения прочности и долговечности бетона трепел добавляют в сырьевую смесь, используют в огнеупорных бетонах для уменьшения пористости и повышения прочности, а также применяют для улучшения поверхности и механических свойств различных материалов (устойчивость к истиранию, электрической изоляции, придания высокой термической стабильности) [4]. Его широко используют в газонефтепереработке, при производстве высокочистого аморфного кремния для солнечной энергетики, для производства автомобильных шин и т.д.
Мировой оборот цеолитсодержащих пород (на 2011г.) составил 3,3млнт. Крупнейшими добытчиками сырья в мире считаются Турция, Китай, Словакия, а также Соединённые Штаты (втечение последних десяти лет увеличили добычу кремнийсодержащих минералов почти вдвое).
Обычно в промышленности используется трепел с низкой степенью дисперсности. Сэтой целью необработанный трепел подвергается механическому воздействию на специальных машинах. Вчастности, для получения средней и мелкой трепельной крошки применяются роторные дробилки, для получения муки применяются ударно-центробежные шаровые мельницы, которые позволяют измельчать трепельную крошку до размеров 0,07-0,3 мм. Поэтому более глубокая переработка сырья до уровня элементарных минеральных частиц может дать положительный эффект в плане повышения качества готовой продукции, а также сокращения сроков подготовки сырья. Решение этой проблемы возможно с применением акустической (ультразвуковой) обработки сырья в процессе подготовки.
Силикатное сырье в естественном (природном) виде из-за сложной природной структуры обладает низкими технологическими свойствами, недостаточной пластичностью, невысокой обволакивающей способностью. При формовании образуется большее количество воздушных прослоек, вследствие чего сырец имеет большую пористость и его прочность. Существующие технологические линии подготовки сырья на заводах ведут переработку сырья на уровне десятых долей миллиметра. Структура же слагается на порядок более мелкими частицами, поэтому, на наш взгляд, более глубокая переработка сырья на уровне элементарных минеральных частиц и зерен может дать положительный эффект в направлении повышения качества готовой продукции, сокращения сроков подготовки сырья. Таким образом, представляется весьма целесообразной модификация (подготовка) дисперсной системы с целью уменьшения размеров частиц, в результате чего частицы обладают большей поверхностной активностью и улучшается их взаимодействие между собой. Достичь желаемого эффекта представляется возможным при применении нехимических, безреагентных методов обработки – ультразвуковая обработка.
Применение ультразвука в различных отраслях промышленности очень значительно, разнообразно по качеству и назначению. Опыт его практического применения свидетельствует о положительном влиянии на многие известные процессы. Влитературе имеются сведения о применении ультразвука в технологии получения и обработки металлов, предотвращения образования накипи на теплообменных поверхностях, сверления хрупких и особо твердых материалов, сушки термолабильных веществ, экстрагирования животного и растительного сырья, растворения, а также в технологии различных композиционных материалов. Ультразвуковая обработка порошковых материалов (кварцевых песков, руд и другого минерального сырья) может применяться для улучшения процессов дезинтеграции, удаления примесей в шламовую фракцию, извлечения нужных веществ, позволяет исключить или интенсифицировать некоторые операции обработки порошков [3].
Использование ультразвуковых колебаний открывает в ряде случаев широкие перспективы для интенсификации технологических процессов, значительного сокращения ручного труда, механизации и автоматизации ряда операций, повышения качества продукции. Упругие колебания нового и ультразвукового диапазона частот используются для интенсификации процессов массообмена, диспергирования, смешения, растворения и т.д. При правильном воздействии ультразвуковые технологии открывают новые перспективы в придании веществам и материалам полезных свойств, таких как стерильность, наноразмерность и т.п. Именно поэтому явления и процессы, происходящие под влиянием ультразвуковой обработки (УЗО), требуют понимания и осмысления. Воздействие УЗО создает переменные звуковые давления, достигающие двух и более атмосфер. Интенсивные ультразвуковые колебания позволяют быстро диспергировать компоненты до такой степени, которой невозможно достичь традиционными, неакустическими методами. Этим и интересна возможность подготовки сырья с использованием ультразвука.
Однако сведения о влиянии ультразвукового воздействия на свойства трепела в литературе практически отсутствуют. Всвязи с этим представляют практический интерес исследования, направленные на изучение параметров ультразвуковой обработки (частота и интенсивность ультразвукового воздействия, продолжительность ультразвуковой обработки) на свойства трепела.
Для проведения экспериментальных исследований и создания акустических колебаний использовали ультразвуковой диспергатор УЗДН-2Т. Вкачестве исходного материала применяли трепел (Т-2-2-06) Дабужского месторождения Калужской области, содержащий до 80 % SiO2.
Эксперименты проводили следующим образом. Трепел при постоянном механическом перемешивании (для создания однородного состава по всему объему) подвергали воздействию УЗО заданной мощности в течение определенного времени. Для выяснения влияния УЗО на трепел было изучено изменение дисперсности в зависимости от времени воздействия и частоты УЗО. Образцы породы подвергались ультразвуковой обработке в течение 20секунд, 5, 10 и 30минут с частотой ультразвуковых волн 22 и 44кГц.
Для определения процентного содержания различных фракций, происходящего в сырье в зависимости от длительности воздействия ультразвуковой обработки, применили микродифракционный анализ. Распределение частиц по размерам производилось с помощью лазерного анализатора «Partica LA-950V2» фирмы «Horiba».
Таким образом, изменение дисперсности опал-кристобалитовой породы (трепел) при частотах 22кГц (рис.1) и 44кГц (рис.2) можно представить в виде диаграмм.
Рис. 1. Распределение частиц различной фракции в зависимости от времени воздействия ультразвука частотой 22кГц
Рис. 2. Распределение частиц различной фракции в зависимости от времени воздействия ультразвука частотой 44кГц
Как видно из графика, порода без ультразвуковой обработки содержит преимущественно крупные частицы размером 60–500мкм и мелкие 2–44мкм. Содержание частиц крупной фракции составляет 43 %. При воздействии на кремнистое сырье происходит диспергация частиц, что наблюдается уже при воздействии в течение 20сек. Протекает процесс разрушения природных структурных элементов (ультрамикроагрегатов, микроагрегатов) и ликвидация пор. Как отмечают некоторые авторы [6], на эффективность диспергирования силикатных, в частности глинистых, материалов основное влияние оказывает кавитация. Мы можем предположить, что разрушение твердых частиц происходит под действием ударных волн, возникающих при захлопывании кавитационных полостей. При увеличении объема количество кавитационных полостей и ударных волн, приходящихся на один кристалл, уменьшается. При этом процентное содержание крупнодисперсной фазы уменьшается до 42 %, а мелкодисперсной – возрастает до 58 %. При увеличении продолжительности обработки до 5минут наблюдается увеличение количества мелкодисперной фазы до 78 % и уменьшение крупной до 22 %. Это говорит о разрушении материала в результате многократного воздействия импульсных нагрузок и замыкания кавитационных пузырьков на поверхности частиц, имеющих неровности, микротрещины и сростки. При этом сначала происходит отщепление выступов, неровностей, сростков и наблюдается сглаживание поверхности частицы. Вдальнейшем при проникновении вглубь частицы кавитационных пузырьков и ударных волн происходит разрушение материала [6]. Кроме того, возможно также измельчение за счет соударения частиц порошка, возникающего при их беспорядочном движении под действием ультразвука. При этом скорость измельчения увеличивается за счет увеличения числа соударений кристаллов друг о друга. Увеличение времени воздействия приводит к укрупнению частиц. Так, повышение продолжительности обработки до 10минут приводит к увеличению доли крупной фазы до 23 %, а при 30 минутах ? до 40 %. Имеются данные [6], что в зависимости от времени ультразвуковой обработки в глинистом сырье наблюдается образование соединительных мостиков, состоящих из большого числа частичек. По всей видимости, это происходит и внашей силикатной системе.Возникаетагрегациятонкодисперсных частиц с формированием достаточно крупных конгломератов. Всистеме образуется наибольшее количество контактов между частицами, ориентированными в поле ультразвуковой волны. Между крупными агрегатами находятся мостики из диспергированных и ориентированных частиц (повышение времени ультразвуковой обработки до 30мин вызывает некоторую агрегацию частиц и образование соединительных мостиков, состоящих из большого числа частичек). За счет разрушения рыхлых гидратных оболочек вокруг частиц и возникновения дальнодействующих связей между ориентированными частицами образуется коагуляционная структура. Такая структура способна противостоять разрушающему действию ультразвуковых колебаний. Если вблизи такого мостика происходит захлопывание кавитационной полости, то нарушенные связи межмолекулярного притяжения, благодаря особенностям строения сетки, восстанавливаются, приобретая первоначальную величину. При воздействии ультразвуком с частотой 44кГц наблюдается меньший эффект диспергирования породы (рис.2).
Можно сделать вывод, что ультразвуковые колебания в зависимости от продолжительности обработки проявляют диспергирующее и агрегирующее действия. Таким образом, выявляется время акустического воздействия 5минут, соответствующее максимальному диспергирующему эффекту.