Синтез и исследование свойств стекол на основе диабазов Узунбулак I

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются вопросы, связанные с получением новых неорганических стеклообразных материалов на основе диабазов Узунбулакского месторождения.

ABSTRACT

The article discusses the issues associated with obtaining new inorganic glassy materials based on diabases of the Uzunbulak field.

Ключевые слова: стеклообразный материал, горные породы, диабаз, ортоклаз, авгит, кальцит, хлорит, оливи, кварц, каолин, глиноземсодержащий отход, стекло, кристаллизация.

Keywords: glassy material, rocks, diabase, orthoclase, augite, calcite, chlorite, olives, quartz, kaolin, alumina-containing waste, glass, crystallization.

По происхождению горные породы делятся на три группы: магматические (эффузивные и интрузивные), осадочные и метаморфические. Магматические и метаморфические горные породы слагают около 90% объема земной коры, однако на современной поверхности материков области их распространения сравнительно невелики. Остальные 10% приходятся на долю осадочных пород, занимающих 75% площади земной поверхности [1, 2, 3].

Горные породы типа базальта, диабаза и габбро, именуемые часто в литературе породами базальтовой группы, широко распространены в природе. Название «диабаз» происходит от французского слова diabase и означает полнокристаллическая мелкозернистая вулканическая горная порода, по химическому и минеральному составу близкая к базальту.

В Узбекистане подобные породы имеют достаточно широкое распространение. Одним из перспективных объектов является месторождение Узунбулак I расположено в 22–23 км юго-восточнее р/ц Галляарал, в 0,5 км к северу и северо-западу от кишлак Узунбулак, на юго-западных склонах Мальгузарских гор, фактически являясь началом пояса Мальгузарских мафитов и ультрамафитов.

В химическом составе изученных диабазов преобладают кремнезем, глинозем, оксиды кальция, магния и железа (табл. 1). Изученные пробы диабазовых месторождений практически отвечают всем требованиям, предъявляемым к качеству сырья силикатной промышленности. В соответствии с поставленными выше задачами объектами исследования в первую очередь были выбраны диабазы Узунбулакского месторождения, всестороннее изучение которых позволяет установить их пригодность в производствах, создание которых позволит избежать завоза базальтовых (базальт, диабаз и габбро) изделий в республику и даже организовать их экспорт.

Таблица 1.

Результаты химического анализа проб диабазовой породы Узунбулак I (в масс. %)

Анализ составов диабазов Узунбулакского месторождения свидетельствует о их многофазности. По микроскопическим, рентгенографическим, ИК-спектроскопическим и электронно-микроскопическим данным следует, что в диабазе присутствуют несколько основных фаз в виде олигоклаза с формулой (Ca,Na)Al₂Si₂O₈, ортоклаза К(AlSi₃O₈), железосодержащего пироксенового твердого раствора типа авгита (Mg, Fe²⁺)[Si₂O₆×СаFe(AlSiO₆)], кальцита СаСО₃, хлорита (клинахлор) с формулой Mg_4.5Al_2.5[OH]₈(Si₃AlO₁₀), оливин (CaFe)₂SiO₄, очень мало кварца SiO₂ и присутствуют также рудные минералы в незначительном количестве [4–7].

Шихтовый состав в работе подбирался с целью получения стекла анортитового состава. В качестве источников требуемых оксидов были выбраны диабазовые породы, Ангренские каолины и глиноземсодержащий отход Шуртангазо химической промышленности. Шихтовые и химические составы составленных смесей приведены в табл. 2 и 3.

Таблица 2.

Шихтовые составы опытных смесей

Таблица 3.

Расчетные химические составы составленных шихт

Приготовленные шихты варили в электрической печи с силитовыми нагревателями в корундизовых тиглях объемом 100–500 г со скоростью подъема температуры 250–300 град./ч. Температура варки стекол составляла 1450 °С с выдержкой 1 час. Сваренные стекла сливали в специальные стальные формы в виде штабиков и дисков. Отжиг стекол не проводили во избежание наведения кристаллизации. Характеристики стеклообразования и выработки исследованных составов представлены в табл. 4 и на рис. 1.

Как показали исследования, в областях опытных составов в системах диабаз — каолин — алюминийсодержащий отход имеются довольно обширные зоны гомогенных стекол (табл. 4 и рис. 1). Полученные стекла были однородными, прозрачными и имели различные оттенки черной окраски в зависимости от содержания красящих оксидов FeO, Fe₂O₃, MnO и TiO₂.

Таблица 4.

Характеристики процессов стеклообразования и выработки стекол

Рисунок 1. Положения точек опытных составов, образующих стекла при 1450 °С, в системе диабаз — каолин — алюминийсодержащий отход

Исследованы были такие физико-химические свойства, как плотность, коэффициент термического расширения, температура начала размягчения, термическая и химическая стойкость. Результаты определений физико-химических свойств стекол приведены в табл. 5.

Таблица 5.

Физико-механические и химические свойства полученных стекол

Результаты проведенных физико-химических испытаний показали высокую химическую и термическую стойкость, светопреломляющую способность диабазовых стекол. Это объясняется наличием большого количества оксидов щелочноземельных металлов и оксида алюминия, а также меньшим количеством оксидов щелочных металлов.

Кристаллизационная способность стекол изучалась методом массовой кристаллизации [8, 9] в интервале температур 600–1100 °С через каждые 100 °С. Время выдержки при каждой температуре составляло 1 час. Полученные экспериментальные результаты приведены в табл. 6.

Таблица 6.

Кристаллизационная способность опытных стекол

 — отсутствие признаков кристаллизации;

— поверхностная кристаллизация в виде небольших разобщенных участков;

 — поверхностная кристаллизация в виде сплошной тонкой пленки;

 — поверхностная кристаллизация в виде сплошной толстой корки с частичным распространением кристаллов вглубь образца;

 — распространение кристаллизации по всему объему образца. Кристаллическая фаза составляет не менее 50–60%;

 — условно полная кристаллизация образца. Наличие кристаллической фазы — 60–100%.

Из данных, представленных в табл. 6, видно, что стекла составов 1, 2, 7 и 11 кристаллизуются с поверхности в виде небольших разобщенных участков при температуре 600 °С. При температуре 700 °С у этих образцов наблюдается поверхностная кристаллизация в виде сплошной пленки. Поверхностная кристаллизация в виде сплошной толстой корки с частичным распространением кристаллов вглубь образца — при температуре 800 °С. При температуре 900 °С кристаллизация наблюдается по всему объему, кристаллическая фаза составляет не менее 50–60%. Полная кристаллизация завершается в стеклах при температуре 1000 °С.

В стеклах 3, 4, 5, 8 и 9 начало кристаллизации отмечается при 700 °С. При температуре 800 °С у этих образцов наблюдается поверхностная кристаллизация в виде сплошной пленки, переходящей с дальнейшим повышением температуры до 900 °С в сплошную толстую корку с частичным распространением кристаллов вглубь образца. При температуре 1000 °С в стеклах кристаллизация наблюдается по всему объему, кристаллическая фаза составляет не менее 50–60%. В этой группе стекол полная кристаллизация достигается при 1100 °С.

Из приведенных данных видно, что стекла, полученные на основе диабазов Узбекистана обладают сравнительно высокими механическими и термическими свойствами, что объясняется относительно высоким содержанием в них окcидов щелочноземельных металлов и небольшим содержанием щелочных. Они также характеризуются высокой химической устойчивостью к серной кислоте и щелочи, что обусловлено, по-видимому, влиянием анортитового состава стекла, в структуре которого преобладают бесконечные цепочки [Si₂O₆]^-4_∞.

Исследована кристаллизационная способность образцов синтезированных стекол 9 опытных составов. Установлено, что в температурной области 600–700 °С обнаруживаются первые признаки начала кристаллизации в виде тонких поверхностных пленок, а в области температур 1000–1100 °С достигается условно полная тонкодисперсная объемная кристаллизация образцов с наличием 60–100% кристаллической фазы.

Список литературы:
1. Подгорная Т.И. Природнқй камен в архитектуре и строительстве Хабаровска: учебн. пособие. — Издательство Тихоокеанского гос. ун-та, 2011. — 119 с.
2. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Горная порода.
3. URL: http://ecosystema.ru/07referats/slovgeo/209.htm.
4. Жуманиёзов Х.П., Исматов А.А., Шарипов Д., Ходжаев Н.Т. Получение стеклокристаллических материалов на основе диабазовых горных пород Узбекистана // Химическая промышленность. — СПб., 2011. — Т. 88. — № 3. — С. 120–125.
5. Жуманиёзов Х.П., Исматов А.А., Шарипов Д. Получение и рентгенографические исследования стеклокристаллических материалов на основе диабазов Узунбулак I // Международный научно-технический журнал. Химическая технология. Контроль и управление. — Ташкент, 2011. — № 3. — С. 9–13.
6. Жуманиёзов Х.П. Исследование диабазовых горных пород Арватенского и Узунбулакского месторождений для получения стекол и ситаллов // Химическая промышленность. — СПб., 2013. — Т. 88. — № 5. — С. 223–233.
7. Изменения в минералогическом составе диабазовых пород месторождения Узунбулак II в результате термической обработки / Х.П. Жуманиёзов, Р.А. Рахимов, Ж.Ш. Шарипов, З.А. Бабаханова [и др.] // Химическая промышленность. — СПб., 2018. — Т. 88. — № 1. — С. 22–28.
8. Павлушкин Н.М., Септюрин Г.Г., Ходаковская Р.Я. Практикум по технологии стекла и ситаллов. — М. : Высшая школа, 1970. — 510 с.
9. Артамонова Т.И. Практикум по технологии стекла и ситаллов. — М. : Высшая школа, 1996. — 364 с.