Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время разработка новых конструкционных материалов - стекол и ситаллов является одним из актуальных направлений современного развития химии и технологии силикатов. В частности, стеклокристаллические материалы, получаемые путем направленной кристаллизации стекол, отличаются от других силикатных материалов комплексом полезных физико-химических свойств, таких как повышенная прочность, твердость, термо-, износо- и химическая стойкость. Однако, несмотря на эти преимущества ситаллов, в Узбекистане до сих пор практически не налажено их производство. В соответствии с этим возникла необходимость разработки составов стекол и стеклокристаллических материалов для различных целей на основе реактивных и местных сырьевых ресурсов.
При разработке новых составов стекол и стеклокристаллических материалов с заранее заданными свойствами исследованность диаграмм состояния имеет важное значение как в теоретическом, так и в практическом плане. В частности, изученность фазовых равновесий в фосфатных и алюмосиликатных системах важна при определении фазовых превращений крайних и промежуточных фаз системы, их эвтектических точек, для изучения микро- и макроструктуры кристаллизующихся фаз, а также их физико-химических свойств. В практическом плане они позволяют выявить составы с минимальной температурой плавления и кристаллизации, заранее прогнозировать и регулировать свойства разрабатываемых материалов.
Системы типа "Ортофосфат магния-фторапатит" и "Ортофосфат магния-анортит" весьма перспективны как основы для синтеза высокоэффективных новых материалов для различных целей. В соответствии с этим возникла необходимость исследования их фазовых равновесий.
Выбор ортофосфата магния, фторапатита и анортита в качестве исходных компонентов при разработке стекол и ситаллов вызван тем, что они являются весьма устойчивыми фосфатными и силикатными соединениями, к тому же обладают высокими физико-химическими параметрами.
Цель работы. Экспериментальное и теоретическое построение диаграмм состояния двойных систем "Ортофосфат магния-фторапатит" и "Ортофосфат магния-анортит" с целью разработки на их основе высокоэффективных составов стекол и ситаллов с заданными свойствами из местного сырья и отходов промышленности.
В соответствии с намеченной целью были поставлены следующие задачи:
-изучение фазового равновесия в системах "Ортофосфат магния-фторапатит" и "Ортофосфат магния-анортит" экспериментально-расчетным путём;
выбор оптимальных составов масс для получения стекол и ситаллов с заданными и регулируемыми свойствами;
разработка технологических параметров их производства;
изучение микроструктуры получаемых стекол и ситаллов;
исследование физико-механических свойств получаемых материалов;
- определение условий кристаллизации ситалловых масс с высокими
эксплуатационными характеристиками;
математическое планирование экспериментов;
практическое использование полученных результатов;
оценка эффективности производства разработанных стекол и ситаллов. Объекты исследований. Для реализации вышеизложенных целей и задач
объектами исследований выбраны:
- ортофосфат магния, фторапатит и анортит, полученные на основе
реактивного сырья синтетическим путём;
- эвтектические и околоэвтектические смеси, получаемые на их основе стекла
и ситаллы;
стекла и ситаллы, полученные в лабораторных и производственных условиях как на основе реактивного, так и на основе природного сырья;
изделия и детали, изготовленные на основе разработанных материалов и предназначенные для применения в быту и технике.
Научная новизна. Впервые проведены исследования фазового равновесия в двойных системах "Ортофосфат магния-фторапатит" и "Ортофосфат магния -анортит". Установлено, что данные системы относятся к простому эвтектическому типу без образования химических соединений и твердых растворов. В системе Mgj[P04]2-Ca5[P04]iF эвтектической точке соответствуют температура ] ]40"С и состав 67,5 мас.% Mg,[P04]2 и 32,5 мае. % Ca5[P0.,],F. В системе Mg1[P04]2-CaAl2S'b0s эвтектическая точка соответствует составу 53 мас.% Mgi[P04]2 и 47 мае. % CaAI2Si208 с температурой эвтектики 1220 "С.
Выявлена морфологическая особенность образцов эвтектических, до- и заэвтектических составов, кристаллизуемых из расплава и из стекла. Изучение микроструктуры синтезированных образцов эвтектических составов показывает наличие однородной мелкозернистой стеклокристаллической структуры. Микроструктура закристаллизованных стекол до- и заэвтектических составов подобна эвтектической, т.е. является квазиэвтектической. Этим доказана возможность получения на основе изученных систем продуктов с равномерно распределенными составляющими в до- и заэвтектических составах.
Для стекол системы Mg3[P04]2-CaAl2Si20g изучены диаграммы "Состав-плотность" и "Состав-ТКЛР" с использованием методов математического планирования.
Для стекол, синтезированных на основе природного сырья, отвечающих эвтектическому и близлежащим к эвтектике составам определены показатель преломления, плотность, ТКЛР, микротвердость, химическая устойчивость и кристаллизационная способность.
\ Впервые по порошковой технологии методом термопластического формования получены фильеры для макаронного производства из стеклокристаллического материала на основе системы "Ортофосфат магния-анортит", отличающиеся высокими физико-техническими и эксплуатационными свойствами.
Выявлено влияние химического состава на физико-химические свойства и структуру стёкол оптимальных составов, предложена структурная интерпретация полученных результатов, что является справочным материалом при разработке новых конструкционных материалов.
Практическая ценность работы. Впервые изученные диаграммы состояния двойных систем "Mg3[P04]2-Ca5[P04]3F"H "Mg3[P04]2-CaAl2Si208" существенны для химии и технологии фосфатных и фосфоалюмосиликатных стёкол и других материалов подобного типа, представляющих интерес для приготовления различных деталей и изделий строительно-бытового и технического назначения.
Шихта с содержанием CaAl2Si208 - 37, 42, 47, 52 и 57 мас.% и с температурой плавления 1255, 1242, 1220, 1286 и 1325 С была использована для получения стекла и стеклокристаллических материалов в системе Mg3[P04]2 -СаАЬБігОз. Разработанные стекла и ситаллы характеризовались высокими физико-химическими свойствами.
На основе системы Mg3[P04]2 - СаАігБігОз с использованием местных сырьевых ресурсов - каолина Карнабского, доломита Шаугазского месторождений и фосфоритной муки получено стекло светло-зеленого цвета, которое рекомендовано для получения стеклоизделий хозяйственно-бытового и декоративного назначений. Экономическая эффективность выпуска 1 тонны стекломассы составила 19695 сум.
Разработаны ситаллы на основе системы Mg3[P04]2 - CaAl2Si208, получаемые однократной термообработкой стекла на основе природных сырьевых материалов, которые рекомендованы как износостойкие и термостойкие материалы для применения в качестве фильеров для макаронов в пищевой
4 промышленности. Экономический эффект от выпуска стеклокристаллических фильеров в количестве 1000 штук составляет 98920 сум.
Практическая ценность данной разработки состоит в понижении температуры варки стекол, в сокращении количеств термообработок при получении ситаллов, а также в широкой доступности и дешевизне используемых сырьевых материалов. Использование разработанных составов и технологий позволит перейти на производство данных материалов в местных условиях, что является решением важной народнохозяйственной проблемы.
Реализация работы. Опытная партия декоративных стекол выпущена на опытно-промышленной базе Акционерного объединения "Оникс". Стекла характеризовались хорошим проваром, достаточным интервалом выработки и удовлетворяли основным .требованиям, предъявляемым к материалам хозяйственно - бытового и декоративного назначения.
Выпущена опытная партия ситалловых изделий в условиях СП "Инструменты и формы" НПО "Технолог" в виде фильеров для макаронных изделий. Разработана технология получения ситалловых изделий методом горячего литья. Определены оптимальные параметры формования и термической обработки изделий.
Экономический и социальные эффекты данной разработки выражаются в использовании широкораспространенных и недорогих сырьевых материалов, технологичностью и простотой изготовления изделий, характеризующейся низкой температурой варки стекла и высокой скоростью объёмной кристаллизации, высокими физико-техническими свойствами и прежде всего малой истираемостью разработанного ситалла.
Апробация работы. Результаты работы докладывались:
-
На международной конференции "Наука и образование - эффективные рычаги реализации стратегии Казахстан-2030", проведенной в Южно-Казахстанском государственном университете им. М. Ауезова, г. Шымкент, 1998 г.
-
На II и III Республиканских научных коллоквиумах Государственного Комитета по науке и технике и Высшей Аттестационной Комиссии при Кабинете Министров Республики Узбекистан "Независимость Узбекистана-залог развития науки и технологии", г. Ташкент, 1997 - 1998 гг.
3. На Республиканской научной конференции "Актуальные проблемы
химической технологии", проведенной в Ферганском политехническом
институте, г.Фергана, 1998 г.
4. На VII и VIII Научно - теоретической и технической конференции про-
5 фессорско - преподавательского состава, аспирантов, научных сотрудников и студентов Ташкентского химико-технологического института, г. Ташкент, 1998-1999 гг.
Публикации. По результатам работы опубликовано 10 научных работ, в том числе 7 статей и 3 тезиса.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, обсуждения результатов, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Содержание работы изложено на 144 страницах машинописного текста (без приложения 128 страниц), содержит 21 рисунков и 24 таблиц. Список литературы включает 130 наименований отечественной и зарубежной литературы.
