Состав шихты для изготовления композиционных микрошариков, способ ее получения

Состав шихты для изготовления композиционных микрошариков, способ ее получения

Реферат

Изобретение относится к области получения шихты для изготовления композиционных микрошариков и может быть использовано в дорожном строительстве в качестве дорожной разметки.

В настоящее время существуют различные составы шихт для получения стеклянных микрошариков. Так, для получения микрошариков (микросфер) используют шихту, состоящую из классифицированных по размеру из предварительно дробленого стекла частиц размером 200-560 мкм [Патент РФ 2178392, Иванов Л.А., Киселев Н.Н., Побережный В.А., Слугин В.А., Сотенский М.Г., С03В 19/10, Н05Н 1/30, дата подачи 28.03.2000, дата публикации 20.01.2002].

Наиболее близким техническим решением к заявляемому составу шихты является шихта, включающая стеклопорошок и клей ПВА в качестве связующего, в соотношении 10:1 (весовых частей) [Крохин В.П., Бессмертный B.C., Пучка О.В., Никифоров В.М. Синтез алюмоиттриевых стекол и минералов // Стекло и керамика. 1997, №9, с.6, 1 колонка, строки 24 и 36, с.7, 2 колонка, 1-я строка сверху].

Существует ряд способов подготовки шихты для получения микрошариков на основе стекла. Известен способ подготовки шихты путем отвешивания и смешения компонентов, с последующим получением расплава и его диспергации в газовом потоке [Будов В.М., Егорова Л.С. Стеклянные микрошарики. Применение, свойства, технология // Стекло и керамика. 1993, №7, с.2-5].

Недостатками вышеуказанных технических решений является невозможность получения композиционных микрошариков из-за окисления металлов в стекломассе в процессе варки стекол, а также низкая светоотражающая способность, длительность и энергоемкость процесса.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является способ получения шихты для изготовления микрошариков, включающий смешивание компонентов шихты, введение в состав шихты связующей и выгорающей добавки в виде клея ПВА, формование и сушку стержней диаметром 2…4 мм и длиной 250...300 мм [Крохин В.П., Бессмертный B.C., Пучка О.В., Никифоров В.М. Синтез алюмоиттриевых стекол и минералов // Стекло и керамика. 1997, №9, с.6, 1 колонка, строки 24 и 36, с.7, 2 колонка, 1-я строка сверху].

Недостатком данного способа является невозможность получения композиционных микрошариков, низкое качество конечного продукта, в частности низкая прочность отформованных стержней, длительность образования газовых включений в микрошариках за счет выгорания клея ПВА при получении микрошариков.

Целью группы изобретений является разработка состава шихты и способа ее подготовки для получения композиционных микрошариков с высокой светоотражающей способностью.

Техническим результатом предлагаемого состава и способа получения шихты является повышение прочности отформованных стержней из сырьевой смеси, предназначенной для получения микрошариков методом плазменного распыления и технологическая возможность получения из данной шихты композиционных микрошариков с высокой отражающей способностью.

Поставленная цель достигается тем, что в состав стеклопорошка вводили порошок алюминия, а в качестве связующего использовали воду и жидкое стекло в следующем соотношении, мас.%: стеклопорошок - 25; порошок алюминия - 25; жидкое стекло - 20; вода - 30. Оптимальные составы шихт на основе боя листового стекла и алюминиевого порошка смешивали и затворяли предварительно подготовленным 20…40% водным раствором жидкого стекла с последующей формовкой и сушкой стержней.

Оптимальные составы шихт представлены в табл.1.

Таблица 1
№п/п	Водный раствор жидкого стекла, %	Состав шихты, мас.%	Прочность на сжатие, МПа	Способность к формованию стержней
Жидкое стекло	Вода	Порошок алюминия	Стекло-порошок
1	10	3	27	35	35	-	не формуется
4	36	30	30	-	не формуется
5	45	25	25	3,2	формуется удовлетворительно
6	54	20	20	2,8	формуется удовлетворительно
7	63	15	15	-	не формуется
2	20∗	6	24	35	35	-	не формуется
8*	32*	30*	30*	9,6	формуется хорошо
10	40	25	25	8,9	формуется хорошо
12	48	20	20	7,1	формуется удовлетворительно
14	56	15	15	-	не формуется
3	30	9	21	35	35	-	не формуется
12	28	30	30	7,3	формуется хорошо
15∗	35∗	25∗	25∗	10,1∗	формуется хорошо
18	42	20	20	8,2	формуется удовлетворительно
21	49	15	15	-	не формуется
12	28	35	35	-	не формуется
4	40∗	16	24	30	30	8,3	формуется хорошо
20∗	30∗	25∗	25∗	10,5∗	формуется хорошо
24	36	20	20	9,2	формуется удовлетворительно
28	42	15	15	-	не формуется
15	15	35	35	-	не формуется
5	50	20	20	30	30	-	комкование шихты
25	25	25	25	-	комкование шихты
30	30	20	20	-	комкование шихты
35	35	15	15	-	не формуется
∗ - оптимальное соотношение

Таким образом, основным отличительным признаком предлагаемого способа получения и состава шихты является использование в качестве связующего 20…40% водного раствора жидкого стекла в количестве 40…50 мас.% и введение в состав шихты порошка алюминия в количестве 50 мас.%.

Как видно из таблицы 1, оптимальные составы шихт включают следующее количество компонентов:

Состав 1	Состав 2	Состав 3
Вода - 32%	Вода - 35%	Вода - 30%
Жидкое стекло - 8%	Жидкое стекло - 15%	Жидкое стекло - 20%
Порошок	Порошок	Порошок
алюминия - 30%	алюминия - 25%	алюминия - 25%
Стеклопорошок - 30%	Стеклопорошок - 25%	Стеклопорошок - 25%

Наиболее оптимальным соотношением порошка алюминия и стелопорошка является соотношение 1:1 (табл.2). При данном соотношении компонентов получаются композиционные микрошарики с наиболее высоким коэффициентом диффузионного отражения (КДО) или максимальной из возможных вариантов составов шихты светоотражающей способностью.

Таблица 2
№ п/п	Соотношение компонентов, мас.%	Композиционные микрошарики
Порошок алюминия	Стеклопорошок	Коэффициент диффузионного отражения (КДО), %
1	30	70	62
2	40	60	80
3	50∗∗	50∗∗	82∗∗
4	60	40	65
5	70	30	58
6	80	20	42
∗∗ - оптимальное соотношение

Изобретательский уровень подтверждается тем, что введение в состав стеклопорошка алюминиевого порошка и затворение водным раствором жидкого стекла позволяет не только повысить прочность стержней, но и получить в конечном итоге композиционные микрошарики с высокой светоотражающей способностью (коэффициентом диффузионного отражения).

Отличительным признаком предлагаемого способа является предварительное смешение тонкомолотого порошка стекла с порошком алюминия и последующее затворение 20…40% раствором жидкого стекла (табл.1).

Использование 10…15% раствора жидкого стекла не позволяет достичь необходимой для практического использования прочности стержней. При использовании раствора жидкого стекла более 40% при смешении с порошком стекла и алюминия наблюдается комкование шихты, что существенно ухудшает формовочную способность (пластичность).

Исследование микроструктуры композиционных микрошариков на аншлифах методом растровой электронной микроскопии показало, что в матричном стекле имеются многочисленные вкрапления макрочастиц металлического алюминия размером 20...60 мкм, причем в отдельных участках матричного стекла имеются микрочастицы алюминия 0,2…3,0 мкм.

Если размеры макрочастиц алюминия в стеклошарике значительно больше длины волны падающего излучения видимого спектра, равной 0,2~λ~3 мкм, то размеры микрочастиц алюминия соизмеримы с длиной волны. Отражение света от таких поверхностей происходит по закону Френеля.

Повышенная светоотражающая способность композиционных микрошариков связана с тем, что угловое распределение отражающего излучения определяется статическим распределением площадок частиц алюминия в микрошарике и носит диффузный характер.

Сферическая геометрия микрошарика из матричного стекла с вкраплениями частиц алюминия исключает проявление зеркальной отражательной способности при малых углах падения светового пучка из-за хаотично расположенных макрочастиц алюминия по объему микрошарика. При больших углах падения светового пучка отсутствие проявления зеркальной отражающей способности обуславливается затенением микрочастиц макрочастицами алюминия. Это приводит к многократным отражениям света в микрошарике и существенно повышает светоотражающую поверхность композиционных микрошариков в отличие от стеклянных микрошариков.

Таким образом, если в стеклянных микрошариках светоотражающая способность обеспечивается в основном за счет отражения света от сферической поверхности, то в композиционных микрошариках повышенная светоотражающая способность обеспечивается как за счет отражения света от сферической поверхности, так и за счет отражения лучей света от частиц алюминия.

В редких разновидностях ювелирных камней, такие вкрапления отдельных макро- и микрочастиц определяются такими техническими терминами, как плеохроизм, переливчатость, а камни имеют специальное название, например «Звездчатый сапфир». Такие камни обладают повышенной светоотражающей способностью [A.M.Жуков. Драгоценные камни более 100 названий. - М.: ACT; МН: Харвест. - с.9].

Композиционные микрошарики на основе листового стекла и флоат-стекла с порошком алюминия имеют повышенный коэффициент диффузионного отражения (КДО=80…82%).

У стеклошариков КДО обычно не превышает 50…60%.

Сопоставительный анализ шихт и способов получения микрошариков представлен в табл.3.

Таблица 3
№п/п	Наименование операций, состав и свойства	Ед. изм.	Известный способ и состав шихты	Предлагаемый способ и состав шихты
1	Технологические операции подготовки сырьевой смеси		Смешение компонентов в шаровой мельнице для получения стеклошариков	Помол и смешение компонентов в лопастном смесителе для получения композиционных
↓	микрошариков
Сушка компонентов	↓
шихты	Смешение шихты с
↓	раствором жидкого
Смешение шихты со	стекла
связующей и	↓
выгорающей	Формование стержней
добавкой (клей ПВА)	↓
↓	Сушка стержней
Формование стержней
↓
Сушка стержней
2	Состав сырьевых смесей	мас.%	Y2O3 - 43,7	Вода - 20,0;
Жидкое стекло - 20,0;
Аl2O3 - 56,3	Порошок алюминия -25,0;
Клей ПВА - 10 (сверх 100%)	Стеклопорошок - 25,0
3	Прочность стержней диаметром 4 мм	МПа	0,6∗.	10,5∗
∗ - по собственным исследованиям

Пример. На первом этапе готовили исходные компоненты и отвешивали их на аналитических весах с точностью +0,01 г для приготовления следующих составов:

Состав 1 (мас.%)	Состав 2 (мас.%)	Состав 3 (мас.%)
20% водный раствор	30% водный раствор	40% водный раствор
Вода - 32%	Вода - 35%	Вода - 30%
Жидкое стекло - 8%	Жидкое стекло - 15%	Жидкое стекло - 20%
Порошок	Порошок	Порошок
алюминия - 30%	алюминия - 25%	алюминия - 25%
Стеклопорошок - 30%	Стеклопорошок - 25%	Стеклопорошок - 25%

Для получения стеклопорошка брали бой листового стекла и флоат-стекла следующих химических составов (табл.4):

Таблица 4
№ п/п	Наименование стекла	Химический состав стекла, мас.%
SiO2	Аl2O3	СаО	Na2O	MgO	Fe2O3	SO3
1	Листовое стекло	72,5	1,0	9,0	14,0	3,0	0,05	0,5
2	Флоат-стекло	73,0	1,0	8,6	13,4	3,6	0,08	0,32

Бой листового стекла и флоат-стекла по отдельности загружали в шаровые мельницы объемом 10 л с уролитовыми шарами и мололи в течение 6 часов. После помола стеклопорошки извлекали из шаровой мельницы и рассеивали на ситах с размером ячеек 0,630 мм.

В качестве исходных компонентов также брали жидкое стекло по ГОСТ-13078-81 и порошок алюминия ПА-4 по ГОСТ 6058-73.

Для приготовления 1000 г исходной шихты состава 1 отвешивали следующее количество компонентов:

Алюминиевый порошок - 300 г;

Стеклопорошок - 300 г;

Жидкое стекло - 80 г;

Вода - 320 г;

ИТОГО: 1000 г.

После отвешивания готовили 20% водный раствор жидкого стекла. Для этого в стакан из химико-лабораторного стекла II гидролитического класса вливали 320 г воды и 80 г жидкого стекла. Перемешивание компонентов производили с использованием пропеллерной мешалки в течение 30 мин.

В лабораторном шнековом смесителе в течение 30 мин готовили механическую смесь из 300 г порошка алюминия и 300 г стеклопорошка. Механическую смесь порошка алюминия и стеклопорошка извлекали из шнекового смесителя.

Затем в стакан, в котором находился 20% водный раствор жидкого стекла, помещали вращающийся пропеллер мешалки и порциями по 40…50 г всыпали смесь порошков алюминия и стеклопорошка с интервалом времени 40…60 с. В результате перемешивания компонентов шихты образовывалась высокопластичная масса.

Из пластичной массы путем пластического формования (вручную или с использованием лабораторного шнекового пресса) готовили стержни длиной 300…400 мм. Стержни помещали на лотки и сушили в сушильном шкафу при 90°С в течение 2 часов. В течение данного времени происходило удаление воды из стержней и их упрочнение за счет взаимодействия жидкого стекла со стеклопорошком. После сушки стержни извлекали из сушильного шкафа.

Таким образом, шихта в виде стержней готова для получения композиционных микрошариков.

Для приготовления 1000 г исходной шихты состава 2 отвешивали следующее количество компонентов:

Алюминиевый порошок - 250 г;

Стеклопорошок - 250 г;

Жидкое стекло - 150 г;

Вода - 350 г;

ИТОГО: 1000 г.

Для приготовления 1000 г исходной шихты состава 3 отвешивали следующее количество компонентов:

Алюминиевый порошок - 250 г;

Стеклопорошок - 250 г;

Жидкое стекло - 200 г;

Вода - 300 г;

ИТОГО: 1000 г.

Шихты в виде стержней состава 2 и 3 готовили также, как состав 1.

Контроль качества

После сушки стержни подвергали испытанию прочности на сжатие на гидравлическом прессе. Прочность стержней определяли как среднеарифметическое 5 измерений:

σ_сж=(10,4+10,6+10,5+10,3+10,7)/5=10,5.

Таким образом, введение в состав стекла порошка алюминия, использование в качестве связующего воды и жидкого стекла в следующем соотношении компонентов, мас.%: стеклопорошок - 25; порошок алюминия - 25; жидкое стекло - 20; вода - 30, позволяет получить композиционные микрошарики с высокой светоотражающей способностью.

А метод плазменного распыления позволяет повысить прочность, снизить энергоемкость процесса и, как следствие, получить высококачественную конкурентоспособную продукцию.

1. Способ получения шихты для композиционных микрошариков, включающий смешение исходных компонентов, добавление в смесь связующего компонента, подготовку пластической массы, формование и сушку стержней, отличающийся тем, что предварительно готовят 40% водный раствор жидкого стекла, затем смешивают стеклопорошок с порошком алюминия в соотношении 1:1, который порциями подают в водный раствор жидкого стекла, а из пластической массы формуют и сушат стержни.

2. Состав шихты, полученной способом по п.1, для получения композиционных микрошариков, включающий стеклопорошок и связующее, отличающийся тем, что в состав стеклопорошка вводят порошок алюминия, а в качестве связующего используют воду и жидкое стекло при следующем соотношении компонентов, мас.%:

стеклопорошок	25
порошок алюминия	25
жидкое стекло	20
вода	30