СОСТАВ ШИХТЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МИКРОШАРИКОВ, СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК C03C12/02 C03B19/10 

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.

Изобретение относится к области подготовки шихты для получения композиционных материалов. Технический результат изобретения заключается в повышении прочности отформованных стержней из сырьевой смеси и светоотражающей способности композиционных микрошариков. Шихта для получения композиционных микрошариков содержит следующие компоненты, мас.%: стеклопорошок - 25; порошок алюминия - 25; жидкое стекло - 20; воду - 30. Предварительно готовят 40% водный раствор жидкого стекла. Смешивают стеклопорошок с порошком алюминия в соотношении 1:1 и порциями подают в раствор жидкого стекла. 2 н.п. ф-лы, 4 табл., 1 пр.

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