способ получения алюмосиликата щелочноземельного металла

Формула изобретения

Способ получения алюмосиликата щелочноземельного металла, включающий механическую активацию и последующую термообработку смеси кислородсодержащих соединений щелочноземельного металла, алюминия и кремния, отличающийся тем, что в качестве кислородсодержащего соединения щелочноземельного металла используют силикат щелочноземельного металла, в качестве кислородсодержащих соединений алюминия и кремния используют гидроксид алюминия и гидратированный оксид кремния или алюмосиликат, взятые в стехиометрических количествах, активацию проводят в измельчительном аппарате в течение 0,01 0,1 ч в присутствии связанной или свободной воды, взятой в количестве 10 -50 от массы смеси.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химической технологии и неорганической химии керамических материалов и может быть использовано для получения силиката кальция (волластонита), силиката магния (форстерита), силиката алюминия (муллита), силиката циркония (циркона), алюмосиликата кальция (анортита), алюмосиликата магния (кордиерита), алюмосиликата бария (цельзиана) и других.

Известны способы получения указанный соединений с применением механической активности (Морозкова В. Е. Карагедов Г. Р. Бергер А. С. Влияние механической активности на синтез и спекание кордиерита. Изв. СО АН, сер. Химия. Сиб. хим. журнал, 1993, N 1, с. 115 117; Корнилович Б. Ю. Запольский А. К. Лысенко В. И. Маляренко В. В. Влияние механической активности на твердофазный синтез алюмосиликатов бария. Изв. СО АН СССР, неорг. материалы, 1988, т. 24, N 6, с. 984 987).

Известен способ получения муллита, в котором смесь оксидов или гидроксидов перед термообработкой подвергают механической активизации путем обработки в планетарной мельнице при мощности 3 150 Вт/г в течение 0,1 3 ч. а термообработку проводят при 1150 1300^oC в течение 4 20 ч (авт. св. N 1213679).

Недостатком указанного способа являются высокие энергетические затраты на механическую активацию, которые составляют 15 кВтч/кг продукта. Кроме того, в ходе работы над порошками после механической активации наблюдается их плохая прессуемость, а также склонность к слипанию.

Цель изобретения сокращение времени механической обработки и соответственно снижение энергетических затрат, улучшение физико-химических свойств активированных смесей, в частности пластических и сыпучих.

Цель достигается тем, что в способе получения силикатов и алюмосиликатов механическую активацию перед термообработкой проводят в измельчительном аппарате при подведенной мощности 3 150 Вт/г смеси в течение 0,01 0,1 ч. в присутствии связанной или добавленной свободной воды, взятой в количестве 5

50 по отношению к весу смесей, содержащей компоненты в стехиометрических соотношениях.

Использование смесей с указанным содержанием воды обеспечивает существенное ускорение химического взаимодействия оксидов, протекающего в условиях механической активации, по сравнению с прототипом за счет эффективного кислотно-основного взаимодействия, налагающегося на механически стимулированный процесс.

Как следует из таблицы, в которой приведены значения изобарно-изотермических потенциалов реакцией образования силикатов и алюмосиликатов из исходных компонентов, вероятность протекания реакции в смеси гидратированных оксидов почти в два раза выше, чем для реакции безводных оксидов.

С увеличение содержания воды вероятность протекания реакции затем снижается, т.е. в зависимости от содержания воды в смеси вероятности протекания имеет максимум 5 50 Как показывают экспериментальные данные, приведенные ниже, скорость взаимодействия оксидов в зависимости от содержания связанной и свободной воды в области указанных содержаний воды действительно имеет максимум, скорость взаимодействия, в которой в 2 3 раза превышает скорость реакции для безводных оксидов. Это обеспечивает снижение времени механической активации по сравнению с прототипом в 2 3 раза.

Таким образом, преимущество технического решения заключается в сокращении времени механической активации смесей, что позволяет существенно сократить энергетические затраты и износ оборудования. В присутствии добавок воды механически активированные смеси обладают высокими пластическими свойствами, порошки не слипаются, являются "воздушно-легкими", и хорошо пересыпаются. Это важно для последующих операций изготовления изделий, которое может быть сделано практически в три операции: активация важных смесей _ прессования изделия -L термическая обработка, при которой происходит кристаллизация продукта и спекание изделия.

Пример 1. Для получения волластонита взята смесь оксидов кальция и кремния и подвергнута механической активации в планетарной мельнице при подведенной мощности 20 Вт/г, смеси в течение 5 мин (0,083 ч) при разных содержаниях связанной и свободной воды. Химическим анализом определены количества несвязанного и общего кальция и найдена степень взаимодействия. Результаты опытов приведены на фиг. 1. Видно, что в области содержаний воды 10 30 степень взаимодействия имеет максимум, в котором скорость взаимодействия выше почти в 2 раза, чем для безводных оксидов (0 воды) или сильнообводных оксидов (80 воды). Полученный продукт является рентгеноаморфным, и при нагревании до 800 900^oC в течение 1 2 ч кристаллизуется в конечный однофазный волластонит.

Пример 2. Для получения форстерита в условиях примера 1 механической активации подвергались смеси оксидов магния и кремния при разных содержаниях воды: Безводных и содержащих воды соответственно 11,3 и 33,9 мас. По активации в течение 5 мин смеси отжигались при 1000^oC в течение 2 ч. По данным рентгенофазного анализа количество продуктов составляет: для безводных оксидов 30 для 11,3 H₂O конечный продукт представлял 90 форстерита и 10 энстатита, для 33,9 H₂O содержание форстерита 70

Пример 3. Для получения анортита смесь оксидов при разных содержаниях воды в стехиометрическом соотношении CaO:Al₂O₃:2SiO₂ 1:1:2 подвергалась механической активации в условиях примера 1 в течение 5 мин. После активации смеси отличались при 1000^oC в течение 4 ч. По данным РФА в смеси безводных оксидов обнаруживается анортита 18 остальное исходные оксиды. В смеси, содержащей 24 мас. получен чистый анортит. При содержании воды 28 наряду с анортитом обнаруживаются фазы исходных компонентов.

Пример 4. Для получения кордиерита 2MgO2Al₂O₃ 5SiO₂ смеси безводных гидратированных оксидов, взятые в соотношениях, соответствующих составу координата, активировались в условиях примера 1 в течение 5 мин. Активированные смеси подвергались термической обработки при 1200^oC. По данным РФА, после активации безводных оксидов в смеси обнаруживается соединение MgAl₂O₄, кристобалит и среды форстерита. Кордиерит в конечном продукте отсутствует. Напротив, после тех же операций в смеси гидратированных оксидов (содержание воды 29 мас.) конечным продуктов является однофазный кордиерит (фиг. 2). При повышении содержания воды до 33 масс наряду с кордиеритом обнаруживается в качестве примесной шпинельная фаза MgAl₂O₄. При использовании в качестве исходных компонентов минералов 3MgOSiO₂H₂O (тальк), Al₂O₃ 2SiO₂2H₂O (каолин), Al₂O₃3H₂O (глинозем) с общим содержанием воды 17 мас. в этих же условиях механохимической активации в термической обработки также образуется чистый координат.

Пример 5. Для получения цельзиана смеси безводных и гидратированных оксидов, взятых в соотношении BaO:Al₂O₃:SiO₂ 1:1:2, активировались в условиях примера 1 в течение 5 мин. Активированные смеси подвергались термической обработке в течение 2 ч при 1200^oC. По данным РФА, в случае безводных оксидов кроме исходных компонентов в смеси содержатся фазы неустановленной природы. В случае гидратированных оксидов (содержание воды 19,3 мас.) образуется гексагональный цельзиан. При повышении содержания воды до 22,4 мас. продукт слабо окристаллизован.

Получение конечных продуктов протекает при более низких температурах, чем для неактивированных смесей. Как следует из приведенных данных, синтез волластонита протекает при 900^oC вместо 1100^o, форстерита при 1000^oC вместо 1600^oC, для анортита при 1000^oC вместо 1300^oC, для кордиерита и цельзиана при 1200^oC вместо 1400^oC.

Таким образом, способ получения силикатов и алюмосиликатов путем механизации оксидов в присутствии связанной или свободной воды взятой в количестве 5 50 по отношению к весу смесей дает возможность:

сократить время механической активации тем, самым снизить энергетические затраты на процесс получения силикатов и алюмосиликатов;

улучшить пластические свойства активированных смесей.