Диэлектрическая дисперсия в механоактивированных мелкодисперсных гетерогенных системах

Представлены результаты экспериментальных исследований электрических характеристик ультратонких слюд на примере слюды Слюдянского месторождения.

Исследование электрофизических свойств диспергированных слюд обоснованно стремлением улучшить качество электрической изоляции и связано с изучением взаимодействия электрически активной поверхности кристаллов слюды и полярных молекул воды. Диэлектрический метод исследования структуры и межмолекулярных взаимодействий основан на изучении процессов поляризации веществ под действием внешнего электрического поля [1, 2].

Проведено изучение значения действительной диэлектрической проницаемости ε′ и тангенса угла потерь tgδ образцов мелкоразмерного флогопита в зависимости от гранулометрического состава, влажности, температурного воздействия и влияния постоянного электрического поля [1, 2]. Экспериментальные данные показывают, что водные пленки способны изменять электрофизические свойства диспергированных слюд. Исследование образцов мелкодисперсной флогопитовой слюды позволило обнаружить эффект зависимости диэлектрической проницаемости от гранулометрического состава частиц слюды.

На рис. 1 представлены графики частотной зависимости диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь для трех значений крупности частиц мелкоразмерного флогопита молоткового помола, преобладающая крупность которого составляет 40-65 мкм, шарового помола с преобладающей крупностью 2045 мкм и более мелкого струйного измельчения с преобладающей крупностью 5-20 мкм. Экспериментально установлено, что гидратация диспергированных слюд приводит к изменениям их диэлектрических свойств. Образцы мелкодисперсной слюды различного измельчения имеют максимумы в частотной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь tg(δ)=f(ν). Обнаружено смещение максимума tg(δ) в сторону более высоких частот для образцов, состоящих из частиц меньшего размера. Мелкие частицы характеризуются большей электрической активностью и способны адсорбировать водные пленки большей толщины по сравнению с более крупными образцами 1 и 2, что приводит к уменьшению их сопротивления и времени релаксации и максимум tg(δ) перемещается в область высоких частот [3]. Диэлектрическая проницаемость мелкоразмерного флогопита, полученного струйным помолом на частоте 100 Гц, составляет 89 единиц, что в среднем в два раза больше, чем для частиц молоткового измельчения. Этот факт свидетельствует о значительной электрической активности поверхности частиц слюды струйного помола за счет их большей удельной поверхности. Изучение образцов мелкодисперсной флогопитовой слюды позволило обнаружить эффект зависимости диэлектрической проницаемости от грануломитрического состава частиц.

Рис. 1. Частотная зависимость диэлектрической проницаемости (ε – сплошная линия) и тангенса угла диэлектрических потерь ( tgδ – штриховая линия) мелкоразмерного флогопита в зависимости от вида помола. 1-1′- молотковый помол, 2-2′- шаровый помол, 3-3′ – струйный помол

Адсорбированный слой воды на электрически активной поверхности частиц слюды представляет собой ориентированные диполи молекул воды, имеет ярко выраженную пространственную анизотропию. При длительном увлажнении идет процесс последовательного наслаивания молекул воды друг на друга и образования нескольких мономолекулярных слоев, состоящих из ориентированных диполей. Некоторые водные пленки могут быть настолько толстыми, что вода, формирующая их внешние слои, находится почти в свободном состоянии (объемная вода) [4]. В пленках воды, находящихся в равновесном состоянии, положительные и отрицательные ионы распределены равномерно и не создают результирующего макроскопического электрического поля.

Под действием внешнего электрического поля эти заряды перераспределяются, образуя макродиполи, поляризация которых приводит к аномально большому значению диэлектрической проницаемости в широком спектре частот. Поляризация макродиполя по сравнению с дебаевской является медленным процессом. Пленки воды, обволакивающие минеральные частицы, способны объединиться в протяженные поверхностные кластеры.

Так как диспергированные слюды являются сложной неуравновешенной системой, то на межфазной границе адсорбированных водных слоев и активной поверхности частиц слюды происходит накопление свободных зарядов под действием электрического поля поверхности частиц, приводящих к межслоевой поляризации, что приводит к появлению значительной абсорбционной емкости образцов. При суточном увлажнении образцов мелкодисперсного флогопита с преобладанием фракций 2-10 мкм их абсорбционная емкость достигает 105 пФ и аномально большим, до ≈ 104-105 единиц, значением абсорбционной диэлектрической проницаемости. Гидратированные образцы, особенно в первые 3-4 ч, активно отдают "лишнюю воду", при этом происходит уменьшение действительной части диэлектрической проницаемости ε′. Абсорбционная электрическая емкость и диэлектрическая проницаемость образцов диспергированного флогопита струйного помола уменьшаются незначительно, сохраняя большие значение ε′ в течение 10-12 дней.

Для изучения влияния гидратации на электрические свойства диспергированного флогопита образцы подвергались нагреванию до 550 К сразу после прогрева, через сутки и четверо суток после этого проводились измерения частотной зависимости диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь исследуемых образцов. Результат представлен на графике рис. 2.

Рис. 2. Изменение диэлектрической проницаемости ε (сплошная линия) и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ (пунктирная линия) мелкоразмерного флогопита после прогрева: 1 – 1′ – прогрев при 550 К;

2 – 2′ – через сутки после прогрева; 3 – 3′ – через четверо суток после прогрева; 4 – 4′ – исходный образец

Экспериментально выявлено, что максимум тангенса угла диэлектрических потерь с течением времени смещается в область высоких частот, что свидетельствует об увеличении толщины абсорбционных пленок воды на электрически активных минеральных частицах. По той же причине сразу после нагревания тангенс угла диэлектрических потерь в максимуме на частоте 80 Гц составляет tgδ=1,5, а через четверо суток tgδ Sir 3,4 на частоте 1000 Гц. Экспериментально выяснено, что с течением времени потери энергии в прогретом образце увеличились более чем в два раза.

Результаты проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы:

• •    Выяснено, что мелкоразмерные слюды проявляют неоднородные физические свойства, зависящие от электрической активности частиц угля. Величина удельной поверхности частиц изучаемой мелкодисперсной системы является мерой влияния размерных эффектов на электрофизические свойства механоактивировааых исследуемых образцов, позволяя изучать их электрофизические свойства.

• •    Гидратация образцов мелкоразмерной слюды струйного помола способствует значительному увеличению адсорбционной емкости и диэлектрической проницаемости,способной увеличиться до ε′ ≈10⁴ единиц.

• •    Выявлено, что наиболее электрически активные образцы механоактивированных мелкодисперсных природных углей способны изменять свойства свободной воды и структурировать молекулы воды вблизи активной твердой поверхности.