Слюды составляют группу минералов, характеризующихся совершенной спайностью, обладающих способностью расщепляться на очень тонкие листочки с равной поверхностью. Из всех известных минералогических видов слюд наиболее важное промышленное значение имеют мусковит и флогопит, которые одновременно с легкостью расщепления на тонкие листочки обладают весьма высокими электрическими характеристиками, негорючестью и большой химической прочностью. Они также термически и химически стойки, мало гигроскопичны и в тонких листочках гибки, упруги и прозрачны. Практическое значение, кроме мусковита и флогопита, имеют биотит и вермикулит. Биотит в ограниченных количествах применяется для замены мусковита или флогопита. Вермикулит представляет собой гидратированный биотит, с трудом расщепляется на тонкие пластинки, обладает пониженными электрическими свойствами и недостаточно термически стоек. С помощью дифференциально термического анализа обнаружен рост вспучивания структуры кристаллов слюды. Определен диапазон температур, в котором слюда сохраняет свои рабочие свойства. Исследованы и выявлены визуальные изменения вспучивания в интервале 20–1200 °С. Решены задачи термоустойчивости слюды для дальнейшего использования в электро- и радиотехнической промышленности. Сделано заключение, что техническое использование слюды в более ответственных случаях имеет ограничение температуры в пределах 600-650 °С. Значительное остаточное вспучивание предполагает практическое использование слюды в качестве термоизоляционного материала.
слюда, мусковит, флогопит, вермикулит, неметаллорудная промышленность, минерал, слюдообрабатывающие предприятия
Введение
Слюдяная промышленность является одной из подотраслей неметаллорудной промышленности, объединяющей предприятия по добыче и обогащению слюдосодержащих руд, таких как мусковит, флогопит, вермикулит, биотит. Также слюдоперерабатывающие предприятия выпускают изделия из листовой слюды, электроизоляционной слюдобумаги, дробленую и молотую слюды, вспученный вермикулит и частично теплоизоляционные материалы на его основе [1].
Актуальность исследования определяется ролью слюды в развитии различных отраслей экономики нашей страны. Так, слюда как природный минерал является несомненным богатством и ценным сырьем при использовании ее в народном хозяйстве. И, несомненно, слюда, может сыграть в дальнейшем немаловажную роль в развитии различных областей промышленности.
Цель работы – определение диапазона температур, в котором слюда сохраняет свои рабочие свойства. Объектом исследования является изучение термических качеств слюды. Предметом исследования служат калиево-натриевые, магнезиально-железистые, а также гидрослюды различных месторождений.
Задачи:
1. Исследовать особенности развития слюдяного промысла в контексте формирования электро- и радиотехнической промышленности.
2. Изучить основные свойства слюды, связанные с ее термоустойчивостью.
3. Определить диапазон температур, в которых слюда сохраняет целостность кристаллического пакета.
Значительный интерес к развитию слюдяного промысла в Сибири проявился еще при Петре I. Это было связано с возросшим спросом западной Европы и Америки на слюду. Становление слюдяного промысла в Сибири проходило на территории нынешнего Красноярского края, Иркутской области, Республики Саха (Якутия). Добыча слюды здесь началась в XVII в. с рудокопок по рекам Тасеева, Кан и Барга [2, 3].
Слюдяной промысел в России развивался до середины XVIII в., затем, в связи с широким распространением стекла, стал приходить в упадок, а в таких крупных районах, как Мамско-Чуйский и Слюдянский, к концу XIX в. совершенно исчез. Новый подъем слюдяной промышленности относился к периоду развития электропромышленности, он датируется 1953 г., когда слюду стали использовать в качестве изоляционного материала. Начала развиваться крупнейшая электро- и радиопромышленность, требовавшие значительных количеств слюды [4]. В связи с этим была реорганизована отечественная слюдяная промышленность, эксплуатирующая многочисленные месторождения мусковита, флогопита и биотита [5].
Проведенные геологоразведочные работы показали, что некоторые слюдяные районы страны имеют мировое значение по уровню своих запасов. Планомерное развитие слюдяного дела потребовало срочных исследований слюд и способов переработки слюдяного сырья. Изучение слюды велось во Всесоюзном институте минерального сырья, Всесоюзном электротехническом институте, в Ленинградском индустриальном институте, лабораториях электромашиностроительных заводов и во многих других исследовательских учреждениях. Проведенные работы имеют ценное в научном и практическом отношении значение и способствуют быстрому росту слюдяной промышленности и рациональному использованию сырья [6].
К природным недостаткам промышленных слюд относится часто наблюдаемое присутствие в слюдяных пластинах включений посторонних минералов, газовых пузырьков и расслоений. Неоднородность слюды, объясняемая наличием в ней включений, находится в зависимости от природы или количества последних [7–9]. Другим природным недостатком является изогнутость, или волнистость, пластинок слюды, препятствующая получению вполне плотного слоя изоляции и создающая затруднения при закреплении слюдяных деталей. Обильные включения и/или резкая волнистость поверхности листочков исключают возможность использования слюды в наиболее ответственных областях ее применения [10].
Далее подробно рассмотрим температурные характеристики слюд различных месторождений. Слюда относится к материалам, обладающим высокой термической стойкостью [11–14]. При действии высокой температуры слюда, вследствие выделений входящей в ее состав воды, начинает постепенно терять свои свойства, такие как блеск и прозрачность, сильно вспучивается, расслаивается, ухудшаются ее механические качества. В связи с этими изменениями значительно снижаются электрические свойства слюды. У мусковита различных месторождений термические свойства изменяются незначительно, флогопиты же могут сильно различаться в этом отношении [15].
Материалы и методы
В работе использовался метод ДТА на приборе ДРОН-3 (Венгрия) [16–18]. С помощью дифференциально-термического анализа исследованы физико-химические превращения, происходящие в слюде при программированном изменении температуры. Изучались процессы потери массы слюд и выявлялись визуальные изменения в интервале температур 20–1200 °С. Процесс нагрева образцов производился постепенно, и через каждые 50 °С фиксировались внешние изменения структуры слюд различных месторождений. Для определения характера изменения внешнего вида различных слюд после термического воздействия образцы нагревались при температуре от 500 °С до 1200 °С через каждые 50 °С. Для испытания были взяты: мусковит месторождения Луговка (проба 23), Слюдянский флогопит (пробы 15 и 18) и Карельский биотит месторождения Еловая Тайбола. Каждый образец, изготовленный в виде пластины размером 40 х 50 мм и толщиной 0.1 мм, помещался в электрическую трубчатую печь, в которой в непосредственной близости к образцу находился спай платино-платинородиевой термопары. Подъем температуры производился со скоростью 150 °С/ч. Охлаждение начиналось после выдержки каждого образца в течение 30 мин при одной из указанных температур. Один из образцов каждой пробы не подвергался нагреванию и служил эталоном. Результатом явились термические кривые – термограммы (кривые нагревания), которые зависят главным образом от химического состава и структуры исследуемого вещества.
Результаты и их обсуждение
У различных минеральных видов слюд изменение внешнего вида после нагревания до разных температур неодинаково [19, 20]. В таблице приводится описание внешнего вида образцов после прокаливания.
Данные исследования характеризуют термическую стойкость исследуемых образцов слюды. Они дают представление о характере остаточных внешних изменений, происходящих в слюде. У исследованного мусковита после прокаливания при 600 °С остаточных изменений не обнаружено. Значительная потеря прозрачности и появление вспучивания были установлены лишь после прокаливания при 700 °С. У биотита внешние изменения образцов появились после нагрева до 550 °С, что указывает на меньшую термическую стойкость, по сравнению с мусковитом. В образце одного флогопита (проба 15) значительные внешние изменения были отмечены после прокаливания при очень высоких температурах – 950–1000 °С. Образцы другого флогопита (проба 18) оказались сильно вспученными и потеряли прозрачность уже после нагрева до 500 °С. По термической стойкости эти слюды значительно уступают не только первому флогопиту, но также исследуемому мусковиту и даже биотиту. Цвет образцов был определен по сравнению с полированными эталонами из серебра, золота и меди. Такая классификация по цвету оказалась весьма сложной, так как содержала 10 условных оттенков и некоторые образцы только частично напоминали полированный металл. Наблюдение за внешним видом слюды при нагреве показывает, что происходящее при этом вспучивание проявляется для разных видов слюд в различных интервалах температур. Температура плавления мусковита перед паяльной трубкой показывает, что он плавится в тонких пластинах, с трудом, в непрозрачную белую эмаль, еще хуже плавится флогопит. Биотит, особенно богатый железом, сплавляется сравнительно легко в серую или черную субстанцию.
Заключение
В ходе проведенных исследований обнаружен быстрый рост вспучивания слюды ближе к максимальной точке при нагревании выше 650–700 °С. Происходит разрушение слюдяного пакета за счет удаления химически связанной воды. На основе чего можно сделать вывод, что техническое использование слюды в более ответственных случаях имеет ограничение температуры в пределах 600–650 °С. Значительное остаточное вспучивание предполагает практическое использование слюды в качестве термоизоляционного материала.
1. Власть труда. 1927, 6 июля. Библиографический список экспедиции / М.И. Верхотуров [и др.]. - Иркутск: Издательство ИрГТУ, 1927. - № 161. - С. 1-8.
2. Волобуев, Г.Т. Центр слюдяного производства в Красноярском крае / Г.Т. Волобуев // Сибирский субэтнос: культура, традиции, ментальность: материалы V Всероссийской науч.-практ. интернет-конференции (ГОУ ВПО «Красноярский государственный педагогический университет им. В.П. Астафьева», 15 января - 15 мая 2009 г.).
3. Шишелова, Т.И. Современное состояние слюдяной области. Проблемы и перспективы / Т.И. Шишелова, В.Г. Житов // Успехи современного естествознания. - 2018. - № 3. - С. 133-139.
4. Шишелова, Т.И. Дегидроксилация слюды в системе «слюда - стекло» / Т.И. Шишелова, Н.В. Леонова // Успехи современного естествознания. - 2017. - № 1. - С. 23-27.
5. Ежова, Я.В. Релаксация ультратонкого флогопита / Я.В. Ежова, В.И. Донской, О.Б. Рубцова, А.Н. Харлан, С.Д. Марчук [и др.] // Журнал функциональных материалов. - 2007. - Т. 1, № 10. - С. 380-382.
6. ООО «Нижнеудинская Слюдянитовая Фабрика». - URL: http://nmf.narod.ru
7. Ежова, Я.В. Диэлектрическая и термическая релаксация в гетерогенных коллоидных системах, содержащих наноразмерные электрически активные включения: сборник научных трудов / Я.В. Ежова, В.И. Донской, А.И. Манданов, H.A. Шурыгина, С.С. Барышников [и др.] // III Всероссийская конференция с международным участием. - Улан-Удэ, 2010.
8. Волков, К.И. Свойства, добыча и переработка слюды / К.И. Волков, П.Н. Загибалов, М.С. Мецик. - 1971. - 350 с.
9. Лашев, Е.К. Слюда / Е.К. Ляшев. - Москва: Промстройиздат, 1948. - 296 с.
10. Мецик, М.С. Механические свойства кристаллов слюды / М.С. Мецик. - Иркутск: ИГУ, 1988. - С. 316.
11. Eddy, W.H. Selective flotation of minerals from North Carolina mica failing / W.H. Eddy, I.S. Browning. - Washington, 2005. - P. 1-10.
12. Browning, I.S. Anionic cationic flotation of mica ores from Alabama and North Carolina / I.S. Browning. - Bu Mines Rept. of Inst. 6589, 2002. - 9 p.
13. Anionic-cationic treatment of mica. Mining Mag. May 2003. - Vol. 12. - № 5. - P. 327.
14. Jasinski, S.M. Mica / S.M. Jasinski // Mining Engineering. - 2017. - Vol. 69. - № 7. - P. 72-73. - URL: https://www.csaglobal.com/wp-content/uploads/2019/07/Engineering-MiningJndustrial-Minerals-Review-2017.pdf (accessed: 12.01.2022).
15. Rickard, D.A. Applications of advanced analytical and mass spectrometry techniques to the characterization of micaceous lithium-bearing ores / D.A. Rickard, Noreen J. Evans, Bradley J. McDonald, Enej Catovic, Peter Spitalny // Minerals Engineering. - 2018. - Vol. 116. - P. 182-195. - URL: https://doi.org/10.1016Zj.mineng.2017.08.004.
16. Niu, He. Recycling mica and carbonate-rich mine tailings in alkali-activated composites: A synergy with metakaolin / He Niu, Mariam Abdulkareem, Harisankar Sreenivasan, Anu M. Kantola, Jouni Havukainen // Minerals Engineering. - 2020. - Vol 157. - 106535.
17. Niu, He. Structural collapse in phlogopite mica-rich mine tailings induced by mechanochemical treatment and implications to alkali activation potential / He Niu, Paivo Kinnunen, Harisankar Sreenivasan, Elijah Adesanya, Mirja Illikainen // Minerals Engineering. - 2020. - Vol. 151. - 106331. - URL: https://doi.org/10.1016/j.mineng.2020.106331.
18. Jasinski, S.M. Mica / S.M. Jasinski // Mining Engineering. - 2017. - Vol. 69. - № 7. - P. 72-73. - URL: https://www.csaglobal.com/wp-content/uploads/2019/07/Engineering-MiningJndustrial-Minerals-Review-2017.pdf (accessed: 12.01.2022).
19. Samantray, Jayashree. Silicate minerals - Potential source of potash - A review / Jayashree Samantray, Amit Anand, Barsha Dash, Malay Kumar Ghosh, Ajaya Kumar Behera // Minerals Engineering. - Vol. 179. - 2022. - 107463. - DOI: https://doi.org/10.1016/j.mineng.2022.107463.
20. Zhytov, V. (2020). Perfection of technology for manufacture of heating units on the base of mica and glass / V. Zhytov, T. Shishelova // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 880. 012030.https://doi.org/10.1088/1757-899X/880/1/012030.
