РОЗДІЛ 2
МЕТОДИКИ ДОСЛІДЖЕННЯ, ХАРАКТЕРИСТИКА ВИХІДНИХ МАТЕРІАЛІВ, ПІДГОТОВКА ЇХ ДО ДОСЛІДЖЕННЯ
В даному розділі представлені характеристики вихідних матеріалів для отримання волокон карбіду кремнію, способи їх підготовки для дослідження, а також використані методи синтезу волокон та методики досліджень.
2.1. Характеристика вихідних матеріалів, підготовка їх до дослідження
Як вихідні матеріали були використані гідратцелюлозні волокна виробництва підприємства "Хімволокно", м. Світлогорськ, Республіка Білорусь, та комерційний силікат натрію. Вибір цих матеріалів обумовлений їх комерційною доступністю, відносною дешевою ціною та екологічною безпечністю їх виробництва та переробки для отримання волокон карбіду кремнію у порівнянні з кремнійорганічними попередниками, з яких зазвичай виробляються волокна на основі карбіду кремнію у промисловості.
Для дослідження були використані волокна двох типів: кордна нитка і текстильна нитка. Кордні нитки мають діаметр 10-15 мкм та круглястий перетин, текстильні нитки дещо більше за діаметром (15-20 мкм) та мають огранку. За літературними даними [79] кордна нитка повністю складається з кристалічної фази, що відрізняє її від текстильного волокна, яке містить крім кристалічної фази, ще додатково до 30% аморфної фази. Досліджувані волокна містять не менше 99 % гідратцелюлози, решта припадає на оксиди кальцію, кремнію, заліза й ін. (оксид кальцію основна домішка). У таблиці 2.1 наведено результати спектрального аналізу мінерального залишку волокон після спалення наважки волокон.
Вихідні волокна гідратцелюлози для подальшого дослідження піддавали попередній обробці, що полягала у відмиванні від забруднень органічними розчинниками (ацетоном, тетрахлоридом вуглецю) і сушці при температурах 100±5?С протягом 3-12 годин для видалення сорбованої води.
Таблиця 2.1.
Результати спектрального аналізу мінерального залишку після спалення наважки гідратцелюлози, мас. %
SiFeAlBMoMgMn10-1›1›110-210-210-110-1
CuTiCaKZrZnAgNi10-110-2››1~110-210-210-310-2 Як джерело карбідоутворюючої речовини використовували водні розчини 3-модульного силікату натрію (Na2O*3SiO2*nH2O) різної концентрації. У таблиці 2.2 наведено результати спектрального аналізу зразків використаного в роботі силікату натрію після осадження гелю кремнієвої кислоти за допомогою обробки соляною кислотою і відпалення при температурі 800 ?С протягом 1 години.
Таблиця 2.2.
Результати спектрального аналізу силікату натрію після осадження соляною кислотою та відпалення, мас. %
NaTiFeZrCuCaAlMgMn›110-110-1‹10-1103‹10-210-15*10-210-3 В роботі була також зроблена спроба використання 2- та 1-модульного силікатів натрію, але дослідження з використанням вказаних реактивів виявилися недоцільними внаслідок низької концентрації SiO2 та високої в'язкості розчинів, що ускладнювала просочку гідратцелюлозних волокон.
2.2. Отримання зразків волокон для дослідження
Для синтезу волокон карбіду кремнію застосовували дві технологічні схеми.
За першою схемою здійснювали відновлювальне відпалювання віскозних волокон з імпрегнованим у їхній об'єм диоксидом кремнію в графітовому тиглі при температурах 100-2000 ?С у середовищі аргону та азоту. Схема обладнання наведена на рис. 2.1.
Друга схема полягала у відновлювальному відпалюванні вже карбонізованих віскозних волокон з нанесеною на їхню поверхню плівкою диоксиду кремнію. Осадження диоксиду кремнію на карбонізовані волокна проводили за реакцією:
Na4SiO4 + 4HCl > SiO2 + 4NaCl + 2H2O. (2.1)
За цією ж схемою проводилася і віскеризація полікристалічних волокон карбіду кремнію. Для цього на дно реактору засипали суміш SiО2 + C, яка служила джерелом газоподібних продуктів SiO та CO, відповідно до реакції Ачесона. Синтез карбіду кремнію здійснювали в графітовому тиглі при температурі 1400-1750±50?С у середовищі аргону або азоту.
Просочування волокон розчинами силікату натрію з молярною концентрацією М =0.7-2.3, (рН 12) здійснювали при температурах 20, 50, 80 ?С протягом 1-24 годин. Маса просочувального розчину перевищувала масу волокон, не менше, ніж у 50 разів. Після імпрегнування з поверхні волокон видаляли силікат за допомогою фільтрувального паперу, потім сушили при температурі 100±5 С до постійної маси (не менше 3 год.). Висушені волокна обробляли розведеною соляною кислотою з метою осадження гелю кремнієвої кислоти, відмивали водою від хлоридів і знову сушили до постійної маси при 100±5?С. В результаті вміст диоксиду кремнію у волокнах, оброблених таким чином, визначений після спалювання наважки зразку, складав близько 33 мас. % для текстильного волокна і 8-10 мас. % для кордного.
Рис. 2.1. Схема обладнання для синтезу волокон карбіду кремнію:
1-графітовий тигель,
2-трубка для подавання газів,
3-засипка з вуглецю,
4- кришка,
5-відділення для зразків,
6-зразки гідратцелюлози,
7-гратка,
8-засипка для створення контрольованого середовища,
9-нагрівач.
Підготовлені таким способом зразки волокон гідратцелюлози вміщували в графітовий тигель та піддавали термообробці в різних середовищах - аргоні, азоті та на повітрі (до температури 350 ?С). Температура відпалювання становила 150, 200, 250, 300, 350, 400, 600, 800, 1000, 1200, 1400, 1500, 1600, 1800 і 2000 ?С, тривалість витримки при постійній температурі становила 30-120 хв.
2.3. Методи дослідження
Хімічний аналіз. Хімічний аналіз вихідних матеріалів і продуктів синтезу здійснювали методом спектрального аналізу на рентгено-філюоресцентному аналізаторі VRA-30. Зразки чистої гідратцелюлози і гідратцелюлози, просоченої диоксидом кремнію, були попередньо відпалені при температурі 800±50 ?С впродовж не менше 30 хв. Мінеральний залишок досліджували за допомогою спектрометра. Вміст кисню в продуктах піролізу гідратцелюлози, імпрегнованої диоксидом кремнію, визначався методом відновного топлення на експрес-аналізаторі з хромат