Изучение термостойкости минеральных видов слюд

Слюдяная промышленность является одной из подотраслей неметаллорудной промышленности, объединяющей предприятия по добыче и обогащению слюдосодержащих руд, таких как мусковит, флогопит, вермикулит, биотит. Так- же слюдоперерабатывающие предприятия выпускают изделия из листовой слюды, электроизоляционной слюдобу-маги, дробленую и молотую слюды, вспученный вермикулит и частично теплоизоляционные материалы на его основе [1].

Актуальность исследования определяется ролью слюды в развитии различных отраслей экономики нашей страны. Так, слюда как природный минерал является несомненным богатством и ценным сырьем при использовании ее в народном хозяйстве. И, несомненно, слюда, может сыграть в дальнейшем немаловажную роль в развитии различных областей промышленности.

Цель работы – определение диапазона температур, в котором слюда сохраняет свои рабочие свойства. Объектом исследования является изучение термических качеств слюды. Предметом исследования служат калиево-натрие-вые, магнезиально-железистые, а также гидрослюды различных месторождений.

Задачи:

• 1.    Исследовать особенности развития слюдяного промысла в контексте формирования электро- и радиотехнической промышленности.

• 2.    Изучить основные свойства слюды, связанные с ее термоустойчивостью.

• 3.    Определить диапазон температур, в которых слюда сохраняет целостность кристаллического пакета.

Значительный интерес к развитию слюдяного промысла в Сибири проявился еще при Петре I. Это было связано с возросшим спросом западной Европы и Америки на слюду. Становление слюдяного промысла в Сибири проходило на территории нынешнего Красноярского края, Иркутской области, Республики Саха (Якутия). Добыча слюды здесь началась в XVII в. с рудокопок по рекам Тасеева, Кан и Барга [2, 3].

Слюдяной промысел в России развивался до середины XVIII в., затем, в связи с широким распространением стекла, стал приходить в упадок, а в таких крупных районах, как Мамско-Чуйский и Слюдянский, к концу XIX в. совершенно исчез. Новый подъем слюдяной промышленности относился к периоду развития электропромышленности, он датируется 1953 г., когда слюду стали использовать в качестве изоляционного материала. Начала развиваться крупнейшая электро- и радиопромышленность, требовавшие значительных количеств слюды [4]. В связи с этим была реорганизована отечественная слюдяная промышленность, эксплуатирующая многочисленные месторождения мусковита, флогопита и биотита [5].

Проведенные геологоразведочные работы показали, что некоторые слюдяные районы страны имеют мировое значение по уровню своих запасов. Планомерное развитие слюдяного дела потребовало срочных исследований слюд и способов переработки слюдяного сырья. Изучение слюды велось во Всесоюзном институте минерального сырья, Всесоюзном электротехническом институте, в Ленинградском индустриальном институте, лабораториях электромашиностроительных заводов и во многих других исследовательских учреждениях. Проведенные работы имеют ценное в научном и практическом отношении значение и способствуют быстрому росту слюдяной промышленности и рациональному использованию сырья [6].

К природным недостаткам промышленных слюд относится часто наблюдаемое присутствие в слюдяных пластинах включений посторонних минералов, газовых пузырьков и расслоений. Неоднородность слюды, объясняемая наличием в ней включений, находится в зависи- мости от природы или количества последних [7–9]. Другим природным недостатком является изогнутость, или волнистость, пластинок слюды, препятствующая получению вполне плотного слоя изоляции и создающая затруднения при закреплении слюдяных деталей. Обильные включения и/или резкая волнистость поверхности листочков исключают возможность использования слюды в наиболее ответственных областях ее применения [10].

Далее подробно рассмотрим температурные характеристики слюд различных месторождений. Слюда относится к материалам, обладающим высокой термической стойкостью [11–14]. При действии высокой температуры слюда, вследствие выделений входящей в ее состав воды, начинает постепенно терять свои свойства, такие как блеск и прозрачность, сильно вспучивается, расслаивается, ухудшаются ее механические качества. В связи с этими изменениями значительно снижаются электрические свойства слюды. У мусковита различных месторождений термические свойства изменяются незначительно, флогопиты же могут сильно различаться в этом отношении [15].

Материалы и методы

В работе использовался метод ДТА на приборе ДРОН-3 (Венгрия) [16–18]. С помощью дифференциально-термического анализа исследованы физико-химические превращения, происходящие в слюде при программированном изменении температуры. Изучались процессы потери массы слюд и выявлялись визуальные изменения в интервале температур 20–1200 °С. Процесс нагрева образцов производился постепенно, и через каждые 50 °С фиксировались внешние изменения структуры слюд различных месторождений. Для определения характера изменения внешнего вида различных слюд после термического воздействия образцы нагревались при температуре от 500 °С до 1200 °С через каждые 50 °С. Для испытания были взяты: мусковит месторождения Луговка (проба 23), Слюдянский флогопит (пробы 15 и 18) и Карельский биотит месторождения Еловая Тайбола. Каждый образец, изготовленный в виде пластины размером 40 х 50 мм и толщиной 0.1 мм, помещался в электрическую трубчатую печь, в которой в непосредственной близости к образцу находился спай платино-платинородиевой термопары. Подъем температуры производился со скоростью 150 °С/ч. Охлаждение начиналось после выдержки каждого образца в течение 30 мин при одной из указанных температур. Один из образцов каждой пробы не подвергался нагреванию и служил эталоном. Результатом явились термические кривые – термограммы (кривые нагревания), которые зависят главным образом от химического состава и структуры исследуемого вещества.

Результаты и их обсуждение

У различных минеральных видов слюд изменение внешнего вида после нагревания до разных температур неодинаково [19, 20]. В таблице приводится описание внешнего вида образцов после прокаливания.

Данные исследования характеризуют термическую стойкость исследуемых образцов слюды. Они дают пред-

Внешние изменения слюды после нагрева External changes in mica after heating

Характеристика образцов Температура нагрева, °С Мусковит Проба 23 Флогопит Биотит Проба 15 Проба 18 20 Слюда прозрачная, бесцветная, блеск стеклянный Прозрачность неполная, воздушные включения в виде туманных пятен. Флогопит темной окраски Прозрачность неполная, воздушные включения в виде туманных пятен. Флогопит темной окраски Слюда прозрачная, цвет бурый, в отраженном свете – черный. Блеск стеклянный 500 Изменений нет Блеск жирный. Едва заметное увеличение туманных пятен Блеск близок к стеклянному. Слабое вспучивание. В отраженном свете – серебристый. Прозрачность лишь на незначительных участках Чуть заметные одиночные пузырьки у поверхности. Едва заметное вздутие у поверхности 550 То же То же То же Небольшие прямолинейные вздутия на поверхности. Шелушение 600 То же Увеличение туманных пятен То же Воздушные включения. Прозрачность на небольших участках 650 Помутнение Воздушные включения. Уменьшение прозрачности Увеличение вспучивания Вспучивание. Волнистая поверхность. В отраженном свете – корич-невато-золотой. Непрозрачен 700 Помутнение. Вздутие. Блеск прозрачный Воздушные включения. Снижение прозрачности Выраженное вспучивание. В отраженном свете – золотистый Сильное вспучивание. В отраженном свете – красновато-бурый 750 Значительное помутнение Цвет серебристый Вспучивание То же Появление прозрачности. Цвет красный 800 Значительное помутнение. Цвет серебристый Вспучивание То же Волнистость 850 То же То же То же Более значительное помутнение. Потеря прозрачности 900 Почти полная потеря прозрачности То же То же Почти полная потеря прозрачности 950 То же Хрупкость. Цвет золотистый Хрупкость То же 1000 Сильная хрупкость Уменьшение прозрачности Значительное вспучивание. Цвета – золотой, серебряный Полная потеря прозрачности. Цвет красновато- бронзовый 1050 Сильная хрупкость Уменьшение прозрачности Значительное вспучивание. Цвета – золотой, серебряный Полная потеря прозрачности. Цвет красновато-бронзовый 1100 Сильная хрупкость Уменьшение прозрачности. Увеличение хрупкости Весьма сильная хрупкость, в отраженном свете – слабо золотой То же 1150 Сильная хрупкость Уменьшение прозрачности. Увеличение хрупкости Весьма сильная хрупкость, в отраженном свете – слабо золотой То же 1200 Волнистость. Сильный блеск. Полная непрозрачность Полная непрозрачность. Цвет светло-коричневый. Сильная хрупкость То же В отраженном свете – темно-бронзовый ставление о характере остаточных внешних изменений, происходящих в слюде. У исследованного мусковита после прокаливания при 600 °С остаточных изменений не обнаружено. Значительная потеря прозрачности и появление вспучивания были установлены лишь после прокаливания при 700 °С. У биотита внешние изменения образцов появились после нагрева до 550 °С, что указывает на меньшую термическую стойкость, по сравнению с мусковитом. В образце одного флогопита (проба 15) значительные внешние изменения были отмечены после прокаливания при очень высоких температурах – 950–1000 °С. Образцы другого флогопита (проба 18) оказались сильно вспученными и потеряли прозрачность уже после нагрева до 500 °С. По термической стойкости эти слюды значительно уступают не только первому флогопиту, но также исследуемому мусковиту и даже биотиту. Цвет образцов был определен по сравнению с полированными эталонами из серебра, золота и меди. Такая классификация по цвету оказалась весьма сложной, так как содержала 10 условных оттенков и некоторые образцы только частично напоминали полированный металл. Наблюдение за внешним видом слюды при нагреве показывает, что происходящее при этом вспучивание проявляется для разных видов слюд в различных интервалах температур. Температура плавления мусковита перед паяльной трубкой показывает, что он плавится в тонких пластинах, с трудом, в непрозрачную белую эмаль, еще хуже плавится флогопит. Биотит, особенно богатый железом, сплавляется сравнительно легко в серую или черную субстанцию.

Заключение

В ходе проведенных исследований обнаружен быстрый рост вспучивания слюды ближе к максимальной точке при нагревании выше 650–700 °С. Происходит разрушение слюдяного пакета за счет удаления химически связанной воды. На основе чего можно сделать вывод, что техническое использование слюды в более ответственных случаях имеет ограничение температуры в пределах 600–650 °С. Значительное остаточное вспучивание предполагает практическое использование слюды в качестве термоизоляционного материала.