Слюду широко используют для производства разных материалов. Благодаря чешуйчатой структуре, покрытие из мелких частиц слюды приобретает перламутровый перелив или фотокаталитические свойства. Перламутровые порошки, содержащие слюду, применяют в лакокрасочной промышленности, при производстве пластмасс, бумаги, косметики и ювелирных изделий.

Ученые из Кольского научного центра разработали оригинальный энергосберегающий и экологически чистый метод получения перламутрового порошка из отходов.

Большое преимущество таких порошков по сравнению с широко используемым пигментом на основе свинца – нетоксичность, термическая, световая и химическая стойкость, а еще низкая плотность. Зачастую используемый перламутровый порошок (ПП) — это композитная система, в которой ядро представляет собой микрочастицы слюды, покрытые диоксидом титана.

Такие составы более экономичны и при использовании их в строительных материалах выполняют функции фотокатализатора, способствуя самоочищению поверхности. Существует несколько технологий синтеза перламутровых пигментов: золь-гель метод, химическое осаждение из паровой фазы и гидролиз гидроксида титана.

Для производства перламутровых пигментов используются в основном мусковит (KAl₂ [AlSi₃O₁₀] (OH)₂) и флогопит (KMg₃ (AlSi₃O₁₀) (OH)₂), и иногда биотит K(Mg, Fe²⁺)₃ (Si₃Al) O₁₀ (OH, F)₂. Несмотря на достаточно многочисленные разведанные месторождения, флогопит в России добывают редко, а завозят, в частности, с Мадагаскара. Кольский полуостров — одно их мест со значительными запасами флогопитовых руд. В течение нескольких десятилетий концентрат флогопита получали на Ковдорском обогатительном комбинате в Мурманской области.

Карьер, где добывали флогопит, сейчас затоплен / ©Пресс-служба Кольского научного центра

По ряду объективных причин производство было заморожено, но сейчас началась переработка хвостохранилища для получения качественного теплоизолятора. Предполагается, что количество накопленного в отвалах сырья обеспечит работу предприятия на несколько десятилетий. Одновременно будет происходить освоение территорий техногенных месторождений.

Идея реанимировать производство флогопита и на его основе выпускать товарную продукцию вполне реальна, поскольку есть рынок, а также соответствующие потребители и технологии. Использование техногенных отходов при производстве позволит значительно снизить стоимость конечного продукта и нагрузку на среду, а еще ускорить высвобождение занятых хранилищами отходов территорий. С этой точки зрения существует запрос на использование слюдяных отходов не только для получения основного продукта — теплоизолятора, но и для других видов функциональных материалов, востребованных как на российском, так и на зарубежных рынках.

Частицы слюды под электронным микроскопом и кристаллическая решетка флогопита / ©Пресс-служба Кольского научного центра

Коллектив авторов из Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья имени Тананаева КНЦ РАН разработал оригинальный энергосберегающий и экологически чистый метод получения ПП, основанный на расщеплении отходов переработки минерально-слоистых материалов, в частности флогопита, с последующим электрогидролизом смеси раствора сульфата титанаи чешуйчатых частиц. Ядро получаемой композиции представляет собой наноразмерную чешуйку слюды, покрытую мезопористым диоксидом титана со структурой анатаза или рутила.

Статья об этом опубликована в журнале Materials.

Поскольку частицы слюды в хвостохранилищах десятилетиями подвергались химическим и физическим воздействиям и могли изменить свои характеристики, для проработки технологии, авторы использовали для своих экспериментов только местное сырье. Частицы слюды разрушали электрохимическим методом, а затем определяли фазовый состав образцов на рентгеновском дифрактометре. Продукт представлял собой мелкодисперсный порошок, шелковистый на ощупь, с характерным перламутровым блеском.

Схема получения перламутрового порошка / ©Пресс-служба Кольского научного центра

Для покрытия чешуек использовали соль сульфата титана, которую получали из минерального концентрата титанита в электродиализной ячейке с анионообменной мембраной. Хлопья флогопита в католите служили центрами кристаллизации твердой фазы гидроксида титана, образующейся в результате электрогидролиза. Исследователи определили условия, при которых отложение происходило селективно на хлопьях, а не образовывало отдельную фазу, что могло привести к снижению блеска и ухудшить качество ПП.

Оксид титана обладает свойствами полиморфного соединения и может быть представлен как рутил, анатаз или брусит в зависимости от условий его получения. Наиболее стабильна фаза у рутила. Показатель преломления у этой фазы выше, чем у анатаза, поэтому слюда, покрытая сплошным слоем рутила, имеет сильный блеск. Однако анатаз обладает лучшими фотокаталитическими свойствами. В зависимости от требований, предъявляемых к перламутровым пигментам, для покрытия частиц слюды выбирают конкретную модификацию диоксида титана.

Наилучшие результаты достигнуты при плотности тока на электродах 0,01–0,015 А/см2 и продолжительности процесса 3–4 часа. Дальнейшая термообработка продукта электрогидролиза при 700–750 °C позволила получить покрытие из диоксида титана анатазной структуры, а при повышении температуры до 800–950 °C происходила структурная перестройка в рутил. Таким образом, можно менять свойства ПП в зависимости от температуры.

Полученные результаты продемонстрировали возможность использования техногенных отходов переработки слюд, в частности флогопита, для получения высокоэффективных функциональных продуктов стержнево-оболочечной структуры. Принципиальный интерес представляют композиции с инертным ядром (микрочастицами слюды), покрытым мезопористым диоксидом титана анатазной структуры. Этот тип покрытия обеспечивает процессы фотокатализа и самоочистки поверхности. Композиции более привлекательны с экономической точки зрения, чем чистый диоксид титана, например, TiO₂ марки P25 производства Degusse.

Электродиализный метод покрытия хлопьев слюды имеет ряд преимуществ перед традиционным, основанным на термогидролизе раствора сульфата титана. Внедрение оригинального энергосберегающего метода нанесения покрытия в электродиализной ячейке одновременно решает экологические проблемы, связанные с удалением кислых стоков, и прекрасно сочетается с электрохимическим методом расщепления слюды.