ПРИМЕНЕНИЕ  ФЛОКУЛЯНТОВ  ДЛЯ  ОСАЖДЕНИЯ  МИКРОДИСПЕРСНЫХ  СУСПЕНЗИЙ  КАРБИДА  БОРА

Видяев  Вячеслав  Александрович

студент  4  курса,  кафедра  «Химическая  технология»  ДПИ  НГТУ  им.  Р.Е  Алексеева, 
РФ,  г.  Дзержинск

E-mail:  VidiaevSlava@yandex.ru

Ожогин  Сергей  Андреевич

студент  3  курса,  кафедра  «Химическая  технология»  ДПИ  НГТУ  им.  Р.Е  Алексеева, 
РФ,  г.  Дзержинск

Жаринов  Иван  Викторович

научный  руководитель,  канд.  техн.  наук,  доцент  ДПИ  НГТУ  им.  Р.Е.  Алексеева, 
РФ,  г.  Дзержинск

Карбид  бора  (КБ)  –  кристаллы  чёрного  цвета  с  металлическим  блеском.  Важнейшим  свойством  КБ  является  его  очень  высокая  твердость  (30-40  ГПа.  По  данному  показателю  КБ  уступает  только  алмазу  и  кубическому  нитриду  бора.  КБ  является  одним  из  самых  химически  инертных  материалов.  Он  не  растворим  даже  в  концентрированными  кислотами,  не  реагирует  с  кислородом  при  температурах  ниже  600  °С,  реагирует  с  хлором  при  температуре  выше  1000°С  с  образованием  треххлористого  бора  [2;  3;  8].

В  промышленности  карбид  бора  применяется  в  основном  в  качестве  абразивного  материала,  для  изготовления  и  упрочнения  инструментов  и  деталей,  подвергающихся  интенсивным  механическим  нагрузкам.  Высокая  микротвердость  КБ  обусловливает  его  применение  для  производства  керамических  бронепластин  для  бронежилетов  классов  5,  6А  [2;  5;  6;  8].

Бронепластины  из  КБ  легче  в  3–4  раза  по  сравнению  с  титановыми  пластинами  при  аналогичных  защитных  свойствах.  Производство  бронепластин  из  КБ  осуществляется  методом  прессования  порошков.  При  этом  эксплуатационные  характеристики  бронеэлементов  из  карбидборной  керамики  в  значительной  степени  зависят  от  параметров  прессуемого  порошка  [6;  8].  Чем  мельче  исходный  порошок,  тем  прочнее  получаемое  изделие.  Применение  порошков,  содержащих  наноразмерные  частицы,  позволяет  значительно  повысить  прочностные  характеристики  бронекерамики  за  счет  образования  более  плотной  структуры  [1;  4;  7].

Процесс  измельчения  КБ  сопровождается  его  загрязнением  за  счет  износа  деталей  измельчающих  машин.  В  результате  измельченный  порошок  КБ  содержит  нежелательные  примеси  –  например,  Fe.  Для  удаления  примесей  порошки  обрабатывают  реагентами  с  последующей  промывкой  и  образованием  водной  суспензии  порошка  КБ.  Отделение  твердой  фракции  осуществляется  путем  отстаивания.  Это  требует  решения  задачи  быстрого  и  полного  осаждения  частиц  КБ.  Одним  из  способов  интенсификации  процесса  осаждения  является  использование  полимерных  флокулянтов.  Их  действие  в  интенсификации  осаждения  взвешенных  в  водной  фазе  частиц  за  счет  адсорбции  на  них  макромолекул.  Для  определение  оптимальных  параметров  процесса  отстаивания  необходимо  исследовать  влияние  условий  процесса  осаждения  частиц  КБ  на  его  эффективность.  В  экспериментах  использовался  сополимер  акриламида  и  метакрилата  N,N-диметил-N-оксиэтиламина  (Ф-1).  Для  составления  модельных  суспензий  использовали  порошок  КБ,  гранулометрический  состав  которого  представлен  на  рисунке  1.  Из  рисунка  видно,  что  90  %  порошка  имеют  размер  менее  30  мкм.  Доля  частиц  размером  менее  1  мкм  составляет  0,9  %.

Рисунок  1.  Гранулометрический  состав  исходного  порошка  КБ

В  данной  работе  исследовано  влияние  концентрация  дисперсной  фазы,  содержание  электролитов  и  рН  среды  на  процесс  осаждения  частиц.

а)  Флокуляция  суспензии,  содержащей  19  %  масс.  КБ  и  6,2  %  солей  железа  (FeCl₃).

Оптимальная  концентрация  Ф-1  для  данной  системы  составила  8,8*10^-6  г/мл  (при  этом  массовое  отношение  Ф-1:КБ  =  35,2*10^-6).  Флокуляция  протекает  интенсивно.  Осаждение  происходит  равномерно  одним  слоем  с  получением  чистого  прозрачного  водного  раствора  солей,  но  при  осаждении  примерно  50%  (по  высоте)  суспензии  скорость  осаждения  значительно  падает.  Время  осаждения  30  %  суспензии  при  оптимальной  концентрации  Ф-1  составляет  10  мин.  Дальнейшее  увеличение  концентрации  Ф-1  не  эффективно,  т.  к.  не  приводит  к  уменьшению  ни  времени  осаждения,  ни  высоты  «столба»  осадка.

б)  Флокуляция  суспензии,  содержащей  8,8  %  масс.  КБ  и  3  %  солей  железа  (FeCl₃).

Данная  суспензия  была  получена  добавлением  расчетного  количества  воды  к  описанной  выше  суспензии  карбида  бора  в  водно-солевом  растворе.  Оптимальная  концентрация  Ф-1  для  данной  суспензии  составила  4,4*10^-6  г/мл  (массовое  отношение  Ф-1:КБ  =  44*10^-6).  Дальнейшее  увеличение  концентрации  Ф-1  практически  не  приводит  к  уменьшению  времени  осаждения,  но  высота  «столба»  осадка  увеличивается.

Флокуляция  протекает  интенсивно,  но  осаждение  протекает  неравномерно  и  водный  раствор  солей  получается  более  мутным,  чем  в  предыдущей  серии  опытов.  Время  полного  осаждения  суспензии  –  1,5  мин  (для  наиболее  крупных  частиц)  и  19  мин  до  получения  чистой  воды  и  оседания  самых  мелких  взвешенных  частиц).  Высота  «столба»  осадка  –  20  %  от  объема  раствора.

в)  Флокуляция  суспензии,  содержащей  4,4  %  масс.  КБ  и  1,5  %  солей  железа  (FeCl₃).

Оптимальная  концентрация  Ф-1  в  растворе  –  3,3*10^-6  г/мл  (массовое  отношение  Ф-1:КБ  =  66*10^-6).  Флокуляция  протекает  интенсивно,  с  четкой  границей  раздела  фаз.  Водная  фаза  прозрачная,  слой  осадка  равномерный.  Время  осаждения  30  %  объема  суспензии  –  28  сек,  время  полного  осаждения  суспензии  –  6  мин.  Высота  столба  осадка  –  около  25  %  от  объема  раствора.

При  увеличении  концентрации  Ф-1  в  растворе  до  4,4*10^-6  г/мл  (массовое  отношение  Ф-1:КБ  =  88*10^-6)  начальная  стадия  флокуляции  протекает  более  интенсивно,  образуются  крупные  флокулы  по  всему  объему  суспензии,  но  водный  слой  остается  мутным.  Дальнейшее  увеличение  концентрации  Ф-1  не  приводит  к  уменьшению  времени  осаждения,  при  этом  высота  столба  образующегося  осадка  увеличивается  (т.е.  плотность  осадка  снижается).

Таким  образом,  по  сумме  технико-экономических  показателей  для  быстрого  и  эффективного  осаждения  карбида  бора  в  присутствии  флокулянта  Ф-1  в  водно-солевой  среде  (при  высокой  концентрации  солей)  наиболее  благоприятной  является  концентрация  твердых  частиц  8,5–10  %  масс.,  оптимальная  концентрация  Ф-1  при  этом  составляет  4,4*10^-6  г/мл.

Выводы  по  использованию  флокулянта  Ф-1  для  повышения  эффективности  выделения  порошков  карбида  бора  из  водных  суспензий: 

1.  Флокулянт  Ф-1  проявил  хорошую  эффективность  при  интенсификации  осаждения  частиц  карбида  бора  из  водных  и  водно-солевых  суспензий.

2.  Увеличение  концентрации  водорастворимых  солей  в  водной  суспензии  карбида  бора  процесс  приводит  к  затруднению  флокуляция,  значение  рН  среды  оказывает  на  флокуляцию  гораздо  меньшее  влияние. 

3.  Флокуляция  КБ  наиболее  эффективно  протекает  при  концентрации  дисперсной  фазы  около  10  %  масс.,  при  этом  оптимальная  концентрация  Ф-1  составляет  до  4,4*10^-6  г/мл.

Список  литературы:

1. Андриевский  Р.А.  Микро-  и  наноразмерный  карбид  бора:  синтез,  структура  и  свойства  /  Р.А.  Андриевский  //  Успехи  Химии.  –  2012.  –  Т.  81.  –  №  6.  –  С.  549–559.
2. Кислый  П.С.  Карбид  бора  /  П.С.  Кислый,  М.А.  Кузенкова,  Н.И.  Боднарук,  Б.Л.  Грабчук.  –  Киев:  Наукова  думка,  1988.  –  216  с.
3. Кнунянц  И.Л.  //  Химическая  энциклопедия.  Т.  4.  –  М.:  Советская  энциклопедия,  1988.  –  623  с.
4. Demchuk  D.V.  Formation  of  boron  carbide  under  the  action  of  low-voltage  nonstationary  electrical  discharges  on  trialkyl  orthoborates  /  D.V.  Demchuk,  A.A.  Grachev,  I.V.  Mishin,  E.K.  Starostin  //  Mendeleev  Communications.  –  2013.  –  Vol.  23.  –  P.  329–330.
5. Domnich  V.  Boron  Carbide:  Structure,  Properties,  and  Stability  under  Stress  /  V.  Domnich,  S.  Reynaud,  R.A.  Haber,  M.  Chhowalla  //  J.  Am.  Ceram.  Soc.  –  2011.  –  Vol.  94.  –  №  11.  –  P.  3605–3628. 
6. Ge  D.  Structural  Damage  in  Boron  Carbide  Under  Contact  Loading  /  D.  Ge,  V.  Domnich,  T.  Juliano,  E.A.  Stach,  Y.  Gogotsi  //  Acta  Mater.  –  2004.  –  Vol.  52.  –  №  13.  –  P.  3921–3927.
7. Rodriguez  M.G.  Formation  of  boron  carbide  nanofibers  and  nanobelts  from  heated  by  microwave  /  M.G.  Rodriguez,  O.V.  Kharissova,  U.  Ortiz-Mendez  //  Rev.  Adv.  Mater.  Sci.  –  2004.  –  Vol.  7.  –  P.  55–60.
8. Thevenot  F.  Boron  Carbide  –  A  Comprehensive  Review  /  F.  Thevenot  //  Journal  of  the  European  Ceramic  Society.  –  1990.  –  Vol.  6.  –  P.  205–225.