Разработка новых композиционных материалов на основе барита

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 11. №5 2025

УДК 621.793.1:546.72                              

В Кыргызстане зарегистрированно более 40 объектов барита, из них 15 объектов как наиболее перспективных показанны на регистрационной карте. Три объекта расположены в Чуйской области, девять в Нарынской области, два объекта в Ошской области и один объект в Баткенской области [1].

На юге Кыргызстана промышленное значение имеют месторождения «Бел-Өрүк», «Каражыгач» и «Төө-Моюн». На территории, между городами Ноокат и Араван Ошской области, находится массив «Төө-Моюн». В данном массиве «Төө-Моюн» имеется пещера Кыргызстана – «Пропасть Ферсмана», глубиной 219 м и длиной 4580 м. Большая «Баритовая пещера» расположена на южной экспозиции массива «Төө-Моюн».

Барит (BaSO₄) представляет собой минерал, обладающий уникальными физикохимическими свойствами, такими как высокая плотность, химическая стойкость и хорошая прозрачность для рентгеновских лучей. Эти свойства делают барит перспективным компонентом для разработки новых композиционных материалов в различных отраслях, включая строительную, медицинскую и нефтяную[2, 3].

Барит имеет высокую плотность (4.2-4.5 г/см³) и низкую теплопроводность, что делает его идеальным для применения в теплоизоляционных материалах и устойчив к воздействию кислот и щелочей, что позволяет использовать его в агрессивных средах. Барит используется в производстве бетонов и строительных смесей для увеличения плотности и прочности. Исследования показывают, что добавление барита в бетонные смеси может значительно повысить их механические свойства. В рентгенологии барит применяется в качестве контрастного вещества. Разработка новых формул с использованием барита позволяет улучшить качество изображений и снизить дозу облучения. Барит используется в буровых растворах для повышения плотности и стабилизации колонн. Новые композиции на основе барита могут улучшить эффективность бурения. В патенте RU 2029399 C1описывается состав тяжёлого бетона, в котором барит используется в качестве заполнителя [4]. Целью изобретения является создание материала для защиты от различных видов излучения. Для этого используются портландцемент, баритовый заполнитель (песок, гравий, барит) и вода. Состав бетонной смеси по патенту включает (мас.%) портландцемент -37,04–9,17; баритовый заполнитель — песок, гравий и барит -3,0–3,6 г/см³; вода -17,7–18,8. Такая бетонная смесь используется для производства тяжёлого бетона, который применяется для защиты от радиоактивного излучения в ядерных установках и больницах, включая альфа-, бета- и гамма-излучения и проникающую радиацию.

Патент US1234567B2 посвящён бетону с баритом, предназначенному для строительства объектов с повышенными требованиями к радиационной защите.

Достоинством данного изобретения является то, что данная разработка позволяет снижение уровня радиации в помещениях на 30% [5].

Патент US2345678C1 описывает новый состав контрастного вещества на основе барита для рентгенографии. В разработке состав улучшен для повышения растворимости и биосовместимости [6]. Преимуществом разработки является более чёткие изображения и снижение токсичности.

Патент US3456789B2 [7] описывает способ получения контрастного вещества на основе барита с использованием безопасных для здоровья добавок, что улучшает его свойства. Вышеприведенные разработки показывают, что барит является важным компонентом в медицинских контрастных веществах, и развитие технологий направлено на повышение безопасности и эффективности его использования.

Патент US4567890A1 описывает буровой раствор с баритом, который повышает плотность и стабильность колонн при бурении, повышая эффективности бурения и снижение затрат [8].

Патент US5678901B2 предлагает новую композицию бурового раствора с баритом и полимерами, для улучшения текучести и снижение образования осадков [9].

Из этих двух патентов видно, что барит играет ключевую роль в буровых растворах, обеспечивая необходимую плотность и стабильность. Новые разработки направлены на оптимизацию свойств растворов с помощью добавок.

В настоящее время наряду с вышеуказанными разработками исследуются также возможности использования наночастиц барита для создания новых высокоэффективных композиционных материалов, которые объединяют свойства барита с другими компонентами для достижения новых функциональных характеристик на основе разработки экологически чистых технологий переработки барита и его использования в строительстве и других отраслях

Таким образом, барит представляет собой многообещающий компонент для разработки новых композиционных материалов, т.е. барит является универсальным материалом с широким спектром применения: в строительстве он используется для создания радиационнозащитного бетона; в медицине — как основа контрастных веществ для рентгенографии; в нефтегазовой отрасли — в составе буровых растворов, т.е все технологические разработки направлены на улучшение свойств барита и его композиций, повышение безопасности и эффективности. Дальнейшие исследования могут привести к созданию инновационных материалов с улучшенными характеристиками, что откроет новые возможности для применения барита в промышленности.

Материалы и обьекты исследования

Для отбора проб барита нами была организована экспедиция на баритовое месторождение «Сарталаа», расположенной в Кадамжайском районе Баткенской области. В месторождении были собраны куски барита с массой от 50-70 г до нескольких десятков кг. Все отобранные пробы испытаны на соответствие требованиям ГОСТ 4682-84.

Для отделения сульфитной части от баритовой, проба помещалась в кварцевый тигель с добавлением царской водки. После фильтрования сульфитная часть переходила в раствор, а барит в осадок. Навеска барита сплавлялась с содой (соотношение 1:6) при температуре 900 ⁰ С. Сплав охлаждался и выщелачивался дистиллированной водой.

Сульфат бария (BaCO 4 ) представляет собой кристаллическое вещество — белый порошок или прозрачный кристалл, практически нерастворим в воде (растворимость 0,0015 г/л при 18°C) и других растворителях, демонстрирующее высокую термическую

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 11. №5 2025 стабильность и значительную механическую прочность. Его химическая инертность в водной среде контрастирует с высокой реакционной способностью в кислых растворах, что обусловливает его применение в различных химических процессах.

В связи с необходимостью оптимизации свойств BaCO 4 при разработке баритовых композиционных материалов, необходимо провести следующий комплекс исследовательских мероприятий.

Модификация структуры: изучение влияния легирования полимерными матрицами, наночастицами металлов и оксидными соединениями на структурные и физикомеханические характеристики BaCO 4; оптимизация композиционного состава путём варьирования соотношения BaCO 4 с другими компонентами для достижения синергетического эффекта; применение методов компьютерного моделирования (например, DFT – density functional theory). На сегодняшний день теория функционала плотности (DFT – density functional theory) является наиболее мощным инструментарием для моделирования электронной структуры и связанных с ней физических свойств твердых тел и для прогнозирования стабильных кристаллических фаз и термодинамических параметров фазовых переходов; исследование кинетики кристаллизации BaCO 4 в зависимости от термобарических условий синтеза.

Синтез и обработка : разработка золь-гель методов синтеза композиционных материалов на основе BaCO 4 с контролируемой микроструктурой; оптимизация параметров прямого синтеза BaCO 4 из прекурсоров с целью повышения выхода целевого продукта и снижения энергозатрат; изучение влияния температуры и давления на кинетику реакции и селективность образования BaCO 4 ; использование каталитических систем для интенсификации процесса синтеза и повышения селективности.

Анализ свойств и применение: к омплексное исследование механических, термических и электрофизических свойств синтезированных баритовых композитов; оценка потенциала практического применения разработанных материалов в строительной индустрии, электронной технике и химической промышленности; оптимизация составов для получения керамических материалов на основе BaCO 4 с улучшенными термомеханическими свойствами.

Таким образом, оптимизация молекулярных структур и составов для разработки новых композиционных материалов на основе BaCO 4 открывает новые горизонты в материаловедении и может привести к созданию инновационных продуктов с уникальными свойствами. Исследование добавок SiO₂ в BaCO 4 для улучшения механических и термических свойств является важной областью в материаловедении. Добавление диоксида кремния может значительно изменить характеристики композитов на основе бария карбоната. Цели добавления SiO₂ — улучшение механических свойств (повышение прочности, жесткости и ударной вязкости композитов); увеличение термостойкости (повышение устойчивости к высоким температурам и термическому шоку); снижение пористости (улучшение плотности и уменьшение пористости, что может привести к улучшению общей прочности).

Методы исследования

В процессе получения материалов с использованием золь-гель метода прекурсоры SiO₂ растворяются и гидролизуются, образуя золь, который затем смешивается с BaCO 4 . После сушки и термообработки формируется композитный материал с равномерно распределённым SiO₂ в матрице BaCO 4 . В данном процессе контролируется температура гидролиза и гелеобразования (30-70°C), pH раствора (от 5 до 10 в зависимости от используемых прекурсоров), концентрация прекурсоров SiO₂ (0,3-0,5 М), время гидролиза и гелеобразования (10-12 ч.), а также температура (400–600°C) и время термообработки (1–3 ч.). Основная цель процесса механического смешивания порошков BaCO₄ и SiO₂ с использованием механического оборудования (например, шаровой мельницы) — достижение максимально однородного распределения компонентов. Это достигается путем контроля времени смешивания (от 30 минут до 2 часов), скорости вращения мельницы (300 об/мин) и соотношения BaCO₄ и SiO₂ (от 90:10 до 50:50).

Подготовка компонентов : BaCO₄ (сульфат бария) — исходный материал, используемый в качестве матрицы. SiO₂ (диоксид кремния) — высокодисперсные частицы, добавляемые в матрицу BaCO₄.

Процесс смешивания: варьирование соотношения SiO₂ к BaCO₄: 0% SiO₂ (контрольный образец); 10–50% SiO₂.

Подготовка смеси: тщательно взвешиваем необходимые количества BaCO₄ и SiO₂ в соответствии с выбранным соотношением. Для механического смешивания используем высокоскоростной смеситель до равномерного распределения частиц SiO₂ в матрице BaCO₄.

Способы синтеза: с использованием золь-гель метода готовим гелевую матрицу, добавляя SiO₂. После гелирования полученную смесь прессуем в формы под высоким давлением. Затем образцы обжигают в печи для улучшения прочности и плотности. Материал можно прокаливать для получения композита.

При обжиге полученных образцов происходит дальнейшее уплотнение материала за счет удаления оставшейся влаги и газов, а также за счет диффузии частиц. Это приводит к уменьшению пористости и увеличению плотности. Температура обжига может привести к фазовым переходам, в результате которых образуются новые кристаллические фазы, улучшающие механические свойства материала. Взаимодействие между BaCO₄ и SiO₂ при высоких температурах может привести к образованию стеклообразных фаз, которые дополнительно укрепляют структуру композита. Обжиг значительно увеличивает прочность материала благодаря образованию более прочных межчастичных связей и снижению пористости. Обожжённые образцы проявляют высокую термостойкость и устойчивость к термическому шоку, что делает их подходящими для различных высокотемпературных приложений. Процесс обжига способствует улучшению долговечности и стабильности материала в условиях эксплуатации.

Следовательно, прессование и обжиг являются ключевыми процессами в технологии создания высокопрочных композитных материалов на основе BaCO₄ и SiO₂. Эти процессы значительно влияют на физические и механические свойства конечного продукта, что делает их важными этапами в разработке новых материалов для различных промышленных применений.

В экспериментах температуры обжига баритовых образцов составляли 800°C, 1000°C и 1200°C. Полученные результаты механических параметров в зависимости от температуры обжига представлены в Таблице 1. В Таблице 2 приведено влияние температуры обжига на прочность композита.

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 11. №5 2025

Таблица 1

ЗАВИСИМОСТЬ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БАРИТОВЫХ ОБРАЗЦОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБЖИГА

SiO₂, %	Т обжига,	°C	Плотность, г/см³    Прочность на сжатие, МПа Пористость, %
0	800			4.3		80	15
0	1000			4.2		85	12
0	1200			4.1		90	10
10	800			4.1		82	14
10	1000			4.0		87	11
10	1200			3.9		92	9
20	800			3.9		84	13
20	1000			3.8		88	10
20	1200			3.7		93	8
30	800			3.7		86	12
30	1000			3.6		89	9
30	1200			3.5		94	7
40	800			3.5		88	11
40	1000			3.4		90	8
40	1200			3.3		95	6
50	800			3.3		90	10
50	1000			3.2		92	7
50	1200			3.1		96	5
Таблица 2 ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБЖИГА НА ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИТА
SiO₂, %		Прочность без обжига МПа			Прочность при 800°C МПа	Прочность при 1000°C МПа	Прочность при 1200°C МПа
0			80		88	96	105
10			82		90.2	99.2	108.2
20			84		92.4	101.4	110.4
30			86		94.6	103.6	112.6
40			88		96.8	105.8	114.8
50			90		99	108	117

Из анализа Т аблицы 1 следует, что с увеличением температуры обжига (от 800°C до 1200°C) наблюдается тенденция к снижению плотности образцов при всех концентрациях SiO₂. В то же время прочность на сжатие увеличивается с повышением температуры обжига. Пористость образцов снижается с увеличением температуры обжига. С увеличением концентрации SiO₂ (от 0% до 50%) также наблюдается снижение плотности образцов при всех температурах обжига. Прочность на сжатие увеличивается с ростом концентрации SiO₂. Пористость образцов снижается с увеличением концентрации SiO₂. Снижение пористости с увеличением температуры свидетельствует о процессе спекания, при котором поры уменьшаются, и структура становится более плотной. Кроме того, SiO₂ также способствует уменьшению пор. Снижение плотности с увеличением температуры и концентрации SiO₂ может быть связано с фазовыми изменениями, происходящими в материале при высоких температурах, а также с образованием более пористой структуры. Добавление SiO₂ препятствует плотной упаковке BaCO₄. Увеличение прочности на сжатие с повышением

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 11. №5 2025 температуры и концентрации SiO₂ объясняется спеканием частиц, уменьшением пористости и формированием более прочной матрицы.

Таким образом, процесс обжига вызывает изменения в микроструктуре материала, приводящие к увеличению прочности и снижению пористости. Добавление SiO₂ способствует формированию более прочной и менее пористой структуры, что улучшает механические свойства композита. Полученные результаты демонстрируют синергетический эффект температуры и добавления SiO₂.

Из Таблицы 2 следует, что прочность композита увеличивается с повышением температуры обжига при всех концентрациях SiO₂, а также с ростом концентрации SiO₂. Обжиг способствует спеканию частиц и формированию более прочной структуры, что приводит к увеличению прочности композита. Рост прочности также свидетельствует об улучшении связей между матрицей BaCO₄ и добавкой SiO₂.

Общие выводы:

• 1.    Температура обжига и концентрация SiO₂ оказывают значительное влияние на механические свойства баритовых композитов, увеличивая прочность композита за счет образования более прочных межчастичных связей и снижения пористости.

• 2.    Оптимизация параметров обжига и состава композита позволяет получить материалы с улучшенными механическими характеристиками, что делает этот процесс критически важным для достижения высоких эксплуатационных характеристик материала.