Оптимизация состава и свойств керамического композита на основе барита и бентонита

Введение. В настоящее время барит активно используется в различных отраслях народного хозяйства, в том числе в бу- мажной, строительной, лакокрасочной, резиновой, химической, металлургической и электротехнической промышленно- сти, а также в сельском хозяйстве и медицине. Литературный анализ показал, что состав и свойства барита зависят от его месторождения. Для переработки барита разработаны различные технологии, в том числе методы получения материалов для разнообразных областей применения. Особое внимание уделяется созданию радиационно-стойких и радиационно-за- щитных материалов, включая радиационно-стойкие бетоны и керамику. Методы и материалы. В Кыргызской Республике насчитывается более 40 месторождений барита. Среди них особенно выделяется месторождение «Арсы», запасы которого находятся в достаточном объеме. Химический состав барита месторождения «Арсы» был исследован с использованием атомно-эмиссионного спектрального анализа, рентгенофлуоресцентного метода и силикатного химического анализа. Результаты анализа показали, что химический состав барита включает сульфат бария (BaSO₄) в количестве около 89–91%. Остальные компоненты представлены примесями: кальций (Ca) – 8–8,4%, диоксид кремния (SiO₂) – 1,6–1,8%, оксид алюминия (Al₂O₃) – 0,1–0,13%, оксид железа (Fe₂O₃) – 0,15–0,25%. Микрокремнезем представляет собой тонкодисперсный порошок, со- стоящий из частиц диоксида кремния (SiO₂) размером от 0,1 до 0,3 микрометра. Содержание SiO₂ составляет около 85–98%. В его составе также присутствуют примеси: оксид алюминия (Al₂O₃) – 0,2–0,8%, оксид железа (Fe₂O₃) – 0,1–0,5%, оксид кальция (CaO) – около 0,5%. Химический состав бентонита Абширского месторождения характеризуется следующим содержанием компонентов: диоксид кремния (SiO₂) – 65,84%, оксид алюминия (Al₂O₃) – 14,8%, оксид железа (Fe₂O₃) – 4,35%, оксид кальция (CaO) – 2,85%, оксид магния (MgO) – 1,76%, потери при прокаливании (п.п.п.) – 2,72%, прочие примеси – 7,68%. Для перера- ботки баритового порошка был применен гидрокавитатор, обеспечивающий эффективную обработку жидких сред за счет сочетания кавитационного и механического воздействия. Результаты. Для разработки технологии и оптимизации состава и свойств керамического композита в качестве сырьевых компонентов были использованы бентонитовая глина, тонко- измельченный барит и микрокремнезем. Эксперимент проводился по четырехфакторному плану В4. На основе уровней варьирования факторов и полученных экспериментальных данных были построены уравнения регрессии, описывающие зависимость плотности, водопоглощения, прочности и усадки материала. В соответствии с этими уравнениями были раз- работаны номограммы, отражающие влияние исследуемых факторов в рамках экспериментального плана. Были опреде- лены оптимальные параметры, обеспечивающие высокую прочность керамического композита: содержание баритового порошка – около 20–25%, микрокремнезема – около 5%, температура обжига – приблизительно 850 °C, продолжительность термообработки – 30–45 минут. Далее баритовый порошок был переработан с использованием гидрокавитатора, после чего были определены технологические режимы и физико-технические характеристики порошка после кавитационной обработки. Состав и свойства баритового порошка были исследованы с использованием рентгенодифрактометрического анализа, выполненного на дифрактометре AL-27MINI в диапазоне 2θ от 10° до 70°. Фурье-ИК спектры регистрировались на спектрометре IRSpirit-T, оснащенном приставкой QATR-S, в диапазоне 400–4000 см–1. Заключение. Оптимизация со- става и свойств керамического композита на основе анализа математических моделей указывает на целесообразность использования баритового порошка в количестве около 20–30% и микрокремнезема – до 10%, при температуре обжига 850–900 °C и длительности термообработки 30–45 минут. Такой состав позволяет достичь высоких показателей прочности и водостойкости материала. После кавитационной обработки баритовый порошок изменяет свою химическую активность и допускается к использованию в составе композита в количестве до 20% по массе от массы бентонита. Добавление более 20% баритового порошка вызывает интенсивные химические реакции, обусловленные присутствием серы, что приводит к разрушению структуры материала. В связи с этим рекомендуется ограничить количество баритовой добавки уровнем до 20%, чтобы избежать нежелательных эффектов, включая взрывные или разрушительные процессы в структуре керамического композита.