Диссертация (1026327), страница 9
Текст из файла (страница 9)
2.11, б показано изменение относительной высоты столба пульпы отвремениприсвободномфильтрационномосажденииволоконпроцессаформирования полуфабриката толщиной 40 мм из коротких базальтовых волокон.Расчет времени фильтрации волокон при уменьшающемся столбе пульпывыполнен на основании уравнения (2.7), записанного в следующем в виде:57tф (h) = Hп ηж cm − h , Hп lnKд ρп g ρсл Hп − h где HП- начальная высота столба пульпы, =п = ℎслсл /9: ;(2.11)ℎ - координата теченияжидкости; HП – h=hП- текущая высота столба пульпы (Рис.
2.11, б). Из рисункаследует, что на завершающем этапе свободного осаждения волокон времяфильтрационного осаждения резко возрастает, поэтому следует применятьвакуумирование камеры фильтрования.2.3. Исследование процесса введения в коротковолокнистую базальтовуютеплоизоляцию свежеосажденную гидроокись алюминия с образованиемминеральной связки из Al2O3 при термообработке изделияПолучаемый результат и его свойства часто зависят от того, какие факторывоздействуют на систему. Поэтому необходимо изучение влияния основныхтехнологических факторов на свойства теплоизоляционных материалов и анализвозможности управления эти факторами.Так, в технологии изготовления изделий теплоизоляционных материаловметодом фильтрационного осаждения связующее вводится в материал в видесвежеосажденной гидроокиси алюминия, которая представляет собой объемистыйстуденистый осадок белого цвета, практически нерастворимый в воде.Свежеосажденная гидроокись алюминия амфотерна и состоит из сфероидальныхчастиц.
Осаждение гидроокиси алюминия в процессе нейтрализации кислогораствора происходит около pH =4,5, а щелочного – 11; pH полного осаждения длягидроокиси алюминия находится в пределах 5-7,5.Характер осадка существенно зависит от условий его образования. Еслиосадок получен при pH=7, то он содержит аморфную гидроокись алюминия иосновные соли. Гидроокись бемитной структуры (гидратированный оксидалюминия) получают при pH=7÷8 и температуре > 60 оC; гидроокись байеритнойструктуры – осаждением при pH=10÷11 и комнатной температуре.
Как было58указано выше, размер частиц свежеосажденной гидроокиси алюминия сильнозависит от среды раствора.Осаждение гидроокиси алюминия в процессе нейтрализации кислогораствора происходит около pH =4,5, а щелочного – pH = 11. Полное осаждениедля гидроокиси алюминия находится в пределах pH = 5,0-7,5. Следовательно, приформовании заготовки можно наблюдать «проскок» тонкодисперсной гидроокисиалюминия через фильтр, что приводит к уменьшению расчетного содержаниясвязующего в материале.КоллоидныйрастворгидроокисиалюминияAl(OH)3(связующего)приготовляют из соли сернокислого алюминия Al2(SO4)3 18Н2О, которую дляполного растворения заливается горячей водой (60-80 °С) на сутки, и 25 %водного раствора аммиака (NH4OH).
Для приготовления рабочей гидромассы(пульпы) берут измельченное и очищенное базальтовое волокно (полуфабрикат),заливают водой, добавляют раствор сульфата алюминия, водный раствор аммиакаи все тщательно перемешивают.Сцельюоценки«проскока»гидроокисиалюминияпроведеныэксперименты по осаждению гидроокиси алюминия в гидромассе с базальтовымволокном. Полученные осадки гидроокиси алюминия при pH от 4,2 до 11, былиотфильтрованы на обеззоленных бумажных фильтрах средней плотности,высушены и прокалены при Т=1200 оС в кварцевых тиглях. При этом количествосоли, взятой для гидролиза, и объем раствора оставались постоянными.Полученные данные представлены на Рис.
2.12.Количество связующего в образце определялось по разности веса сухогообразца и навески базальтового волокна с точностью до 10-4 г. Потерями волокнана стенках при отливе образца можно пренебречь, считая, что от опыта к опытуони остаются постоянными. На электронных фотографиях (Рис. 2.13) показаноналичие осажденной связки Al2O3 на базальтовых волокнах.59Рис. 2.12.«Проскок» при фильтрации гидромассыабРис. 2.13.Связка из Al2O3, осажденная на базальтовых волокнах:а – растровый электронный микроскоп (РЭМ) Tescan Vegall LMH;б – инверсный металлографический микроскоп МИМ-1600БОт введенного количества связующего зависит прочность получаемогоизделия на сжатие [69].
На Рис. 2.14 видно, что с увеличением количества связкиувеличивается прочность изделия, однако, при содержании связующего вматериале свыше 5 – 8 % значительного увеличения прочности не происходит.60В тоже время увеличение содержания связующего повышает вязкостьгидромассы, что затрудняется процесс фильтрации при формообразованииизделий и приводит к увеличению продолжительности процесса, требуетдополнительного усилия прессования или установки более мощной системывакуумирования. Вязкость раствора из гидроокиси алюминия определялась принормальной температуре по вискозиметру ВПЖ-4.
Вязкость раствора при 5 %содержании связки составила 5,0 мПа∙с, а при 7,0 % содержание – 6,0 мПа∙с.Учитываяэтиизготовленияособенности,притеплоизоляционныхразработкеизделийтехнологическихрекомендуемоепроцессовсодержаниесвязующего составляет 5-7 %.Рис. 2.14.Влияние процентного содержания связующего на прочность на сжатие при10 % деформацииНа Рис. 2.15 представлена зависимость изменения содержания связующего вматериале от pH осаждения гидроокиси алюминия для двух концентрацийсвязующего в пересчете на очищенное волокно.
При pH меньше 7 количествосвязующего в материале определить не удалось, т.к. в диапазоне pH=5÷7 осадокне отфильтровался.611 – 5 % вес. связующего;2 – 7,5 % вес. связующего;3 – расчетное количество А1203 привведении 5 % связки;4 - расчетное количество А1203 привведении 7,5 % связкиРис. 2.15.Зависимость изменения содержания связующего в материале от pH осаждениягидроокиси алюминия:Сопоставляя Рис. 2.12 и Рис. 2.15 можно заметить, что в интервалеpH=7,5÷8,5 количество связующего в материале близко к расчетному.
Начиная сpH=9 количество связующего в образце резко уменьшается. Ветвь кривой вдиапазоне pH=4÷6,5 (см. Рис. 2.12) можно объяснить тем, что образовавшийсятонкодисперсный осадок гидроокиси проходит через поры довольно грубогофильтра.
Увеличение же проскока осадка гидроокиси при значениях pH более 9несколько странно на первый взгляд, т.к. гидроокись алюминия не растворяется визбытке аммиака.Такое явление можно объяснить с теоретической точки зрения с помощьюдиаграммы Пурбе. Диаграмма Пурбе наглядно отображает термодинамическиустойчивые формы существования элементов в растворах при различныхзначениях водородного показателя pH и окислительно-восстановительногопотенциала [70].Диаграмма рассматривает условия равновесия между: ионами в растворе,твердыми фазами в присутствии воды, ионами и твердыми фазами. В системеалюминий – вода твердыми фазами являются элементарный алюминий и егогидроокись.
В жидкой фазе могут присутствовать ионы Al3+ и AlO-2(или Al(OH)-4),т.е. гидратированный AlO-2 (Рис. 2.16).62При расчетах равновесия указанных систем приняты стандартные значениявеличин энергии Гиббса (Таблица 6).Таблица 6.Стандартные значения величин энергии ГиббсаСоединения (ионы)Al(OH)3Al3+ (водн.)AlO-2 (водн.)H2O∆G0, ккал/моль-271,9-115-200,7-56,69Далее, опуская рассмотрение равновесия систем, покажем, что равновесиемежду ионами в растворе определяется соотношение активностей ионов Al3+ иAlO-2 с равновесием реакций. Равновесный потенциал для рассматриваемыхреакций является функцией активности ионов AlO-2 и рН. Для каждого значенияактивности ионов Al3+ и AlO-2 с равновесием реакций равновесие будетизображаться прямой линией на диаграмме Пурбе с угловым коэффициентом –0,0788.В левой части диаграммы при рН < 4 (в зависимости от активности ионов)находится область устойчивого состояния ионов Al3+ в растворе; в правой части,при рН > 9, - область стабильности анионов AlO-2.
Между этими областямирасположена область стабильного существования гидроокиси алюминия вконтакте с водными растворами. Алюминий термодинамически метастабилен вконтакте с водными растворами, поэтому он будет в зависимости от рНрастворяться с образованием ионов Al3+ и AlO-2 или преимущественно окислятьсяс образованием гидроокиси.Из уравнений, описывающих равновесие систем, начало осаждениягидроокиси алюминия и ее растворения зависит от концентрации осаждаемогоиона. В нашем случае концентрация иона алюминия в пульпе порядка 5*10-3 ион/лпри концентрации пульпы 5 г/л и связующего 5 % веса по отношению к твердойфазе базальтового волокна.
Если коэффициент для трехвалентных ионов вразбавленных растворах принять 0,5, то активность {Al3+} в гидромассе можнопринять равной 0,25*10-3 ион/л. Гидратированная фаза Al(OH)3 существует винтервале pH - 4,42÷7,04.63Рис. 2.16.Диаграмма Пурбе:1 - Равновесие между ионами в растворе; 2 - Равновесие Al – Al(OH)3;3 - Равновесие между Al3+ и Al(OH)3; 4 - Равновесие между Al(OH)3 и анионамиAlO-2; 5 - Равновесие Al3+ - AlРассмотрев уравнения равновесия систем, можно сделать вывод, что прирабочих концентрациях гидромассы, в которой концентрация {Al3+} порядка 10-3ион/л возможно растворение осадка при pH больше 11, что подтверждаетсяэкспериментом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
