Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,736

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СЛЮДЯНОЙ ОБЛАСТИ. ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Шишелова Т.И. 1 Житов В.Г. 1
1 Иркутский национальный исследовательский технический университет
Слюда – достаточно простой и известный минерал, который находит применение во многих отраслях промышленности. Слюду исследуют и используют почти во всех странах мира. Впервые слюда нашла применение в качестве оконных вставок. Области использования постоянно расширяются и возобновляются. Так как слюда обладает высокими электроизоляционными свойствами, областью применения долго являлась электротехническая промышленность. Диапазон использования слюды в настоящее время достаточно широк. Слюда находит применение для производства различных слюдосодержащих композиционных материалов. Редкие природные качества слюд будут востребованы в развитии технологий будущего. Целью работы явилось изучение состояния слюдяной отрасли в России. Рассмотрение решения вопроса успешного возобновления и развития слюдяной отрасли России. Выявление перспективных областей использования слюды. Приводится анализ решения проблемы. Анализируются работы зарубежных авторов. Выявление наиболее перспективных областей использования слюд будет способствовать успешному возобновлению слюдяной промышленности. Для успешного решения необходимо расширить перспективные отрасли использования слюды. Такими областями использования слюды являются строительная индустрия, экология. Особый интерес представляет использование слюды в нанотехнологии для машиностроительных материалов, обладающие долгосрочной перспективой развития. Рекомендуется возможность применения композиционных материалов на основе слюды в радиационной и космической тематике.
слюда
слюдо-композиты
использование
добыча
перспективы
микалекс
мусковиты
флюгопиты
радиационная защита
1. Шахнович М.М., Скамницкая Л.С. Локализация мест добычи слюды в позднем средневековье в северной Карелии и на Кольском полуострове // Известия Иркутского государственного университета. Серия: Геоархеология. Этнология. Антропология. – 2014. – № 9. – С. 141–152.
2. Апшаров А.Ю., Лыткина Ю.Е., Курмангалиев С.Б. Слюда: прошлое и настоящее ценного минерала // Наука, образование и инновации: материалы Междунар. науч.-практ. конф. (Стерлитамак, 12 июля 2017 г.). – Уфа: Изд-во ООО «Агентство международных исследований», 2017. – С. 19–21.
3. Ткачев А.В., Сапожникова Л.Н. Разноранговые многофакторные модели месторождений листового мусковита для полистадийных геологоразведочных работ // Гранитные пегматиты: проблемы геологической теории и практики. – М.: ВИМС, 2008. – С. 77–103.
4. Волков К.И., Загибалов П.Н., Мецик М.С. Свойства, добыча и переработка слюды. – Иркутск: Вост.-Сиб. кн. изд-во, 1971. – 350 с.
5. Яловик Г.А. Состояние и перспективы развития минерально-сырьевой базы Бурятии // Новые и нетрадиционные типы месторождений полезных ископаемых Прибайкалья и Забайкалья: материалы Всерос. науч.-практ. конф. (Улан-Удэ, 10–12 ноября 2010 г.). – Улан-Удэ: ИД «Экос». – С. 3–15.
6. Винокуров М.А., Суходолов А.П. Горнотехническое и горнохимическое сырье Иркутской области // Экономика Иркутской области: В 4 т. – Иркутск: Изд-во: БГУЭП, 1999. URL: http://irkipedia.ru/content/gornotehnicheskoe_i_gornohimicheskoe_syre_irkutskoy_oblasti_vinokurov_ma_suhodolov_aphttp://irkipedia.ru/content/gornotehnicheskoe_i_gornohimicheskoe_syre_irkutskoy_oblasti_vinokurov_ma_suhodolov_ap.html.html (дата обращения: 05.02.2018).
7. Абдулова С.Р., Олах Н.М. Обогащение слюдяных руд: тенденции развития // Связь теории и практики научных исследований: сб. ст. Междунар. науч.-практ. конф. (Саранск, 03 марта 2016 г.). – Уфа: Изд-во ООО «Омега Сайнс», 2016. – С. 209–211.
8. Чиликанова Л.В., Шишелова Т.И., Коновалов Н.П. Слюдяные рудничные скрапы в производстве слюдокомпозитов // Фундаментальные исследования. – 2004. – № 5. – С. 55–57.
9. Абдулова С.Р., Олах Н.М. Производство электроизоляционных материалов на основе слюдопласта // Взамодействие науки и общества: проблемы и перспективы:cб. ст. Междунар. науч.-практ. конф. (Уфа, 01 марта 2016 г.). – Уфа: НИЦ «Этерна», 2016. – С. 22–23.
10. Шишелова Т.И., Шульга В.В. Физико-химические основы производства композитных материалов на основе слюд // Фундаментальные исследования. – 2016. – № 3–3. – С. 538–541.
11. Шишелова Т.И., Тюрин Н.Г., Чайкина Е.А., Леонов С.Б. Физико-химические основы производства слюдокомпозитов. – Иркутск: Ладъ, 1993. – 212 с.
12. А.с. 1139367 CCCР МКИ3 Н 05 В 3/10. Способ изготовления резистивного нагревателя / В.С. Стариков, Т.И. Шишелова, С.Б. Леонов. – 1980. – Бюл. № 3/0. – С. 1–4.
13. Шишелова Т.И., Липовченко Е.Л. Квантово-механический расчёт дегидроксилации минералов // Успехи современного естествознания. – 2015. – № 12. – С. 177–181.
14. Шишелова Т.И., Леонова Н.В. Дегидроксилация слюды в системе «слюда – стекло» // Успехи современного естествознания. – 2017. – № 1. – С. 23–27.
15. Малов Н.Д., Щипцов В.В. Кризис слюдяной отрасли беломорской пегматитовой провинции и перспектива его преодоления //Записки горного института. – 2016. – № 218. – С. 172–178.
16. Бондаренко В.И., Лукина Г.В., Самаркина Е.В. Использование отходов слюды для очистки воды на объектах теплоэнергетики // Вестник ИРГСХА. – 2012. – № 51. – С. 104–111.
17. Матвеев Д.Ю. Гальваномагнитные свойства блочных и монокристаллических пленок висмута, легированного теллуром, изготовленных на подложках из слюды-мусковит // Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов: труды III Междунар. конф. (Курск, 24–26 мая 2016 г.). – Курск: Изд-во Юго-Западного государственного университета, 2016. – С. 268–273.
18. Леушин И.О., Лычагов А.С. Применение отходов слюды в составе защитных покрытий чугунных тиглей для плавки алюминиевых сплавов // Заготовительные производства в машиностроении. – 2015. – № 8. – С. 3–7.
19. Определение кривой отражения сферически изогнутого кристалла слюды, применяемого для диагностики рентгеновского излучения релятивисткой лазерной плазмы / М.А. Алхимова [и др.] // Краткие сообщения по физике Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук. – 2016. – Т. 43, № 10. – С. 3–8.
20. Петров В.Б., Глазова Н.Ю., Быченя Ю.Г. Получение модифицированных слюд, используемых для покрытий сварочных электродов // Проблемы рационального использования природного и техногенного сырья Баренц-региона в технологии строительных и технических материалов: материалы V Всерос. научн. конф. с междунар. участием (Апатиты, 12–15 ноября 2013 г.). – Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 2013. – С. 158–159.
21. Udara Bimendra Gunatilake, Jayasundera Bandara Fabrication of highly hydrophilic filter using natural and hydrothermally treated mica nanoparticles for efficient waste oil-water separation // Journal of Environmental Management. – 2017. – № 191. – Р. 96–104. doi: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2017.01.002.
22. Pazos M.C., Castro M.A., Cota A., Osuna F.J., Pavon Esperanza, Alba M.D. New insights into surface-functionalized swelling high charged micas: Their adsorption performance for non-ionic organic pollutants // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. – 2017. – № 52. – Р. 179–186. doi: https://doi.org/10.1016/j.jiec.2017.03.042.
23. Harisankar Sreenivasan, Paivo Kinnunen, Eetu-Pekka Heikkinen, Mirja Illikainen Thermally treated phlogopite as magnesium-rich precursor for alkali activation purpose // Minerals Engineering. – 2017. – № 113. – Р. 47–54. doi: https://doi.org/10.1016/j.mineng.2017.08.003.
24. Дубровский В.Б. Радиационная стойкость строительных материалов. – М.: Стройиздат, 1977. – 278 с.
25. Шишелова Т.И., Чиликанова Л.В., Борзов В.Г., Байбородин Б.В. Микалекс. – Иркутск: Изд-во Иркутского государственного университета, 1986. – 111 с.
26. Термохимические характеристики глинистых минералов и слюд / М.Д. Маслова [и др.] // Вестник Казанского технологического университета . – 2014. – Т. 17, № 21. – С. 121–127.
27. Коган В.Е., Шахпаронова Т.С. Способы получения и свойства композиционных материалов в системе стекло – слюда // Международный научно-исследовательский журнал. – 2015. – № 1–1 (32). – С. 45–47.
28. Шишелова Т.И., Чиликанова Л.В., Коновалова А.Н. Мелкоразмерная слюда и стеклобой в производстве конструкционных электроизоляционных материалов // Успехи современного естествознания. – 2004. – № 2. – С. 87–88.
29. Серебряник И.А., Федорова С.В. Слюдопереработка в Сибири: исторический аспект // Theoretical and applied science. – 2015. – № 10. – С. 20–23.
30. Шишелова Т.И., Житов В.Г. Использование композиционных материалов на основе слюды для захоронения радиоактивных отходов // XXI Век. Техносферная безопасность. – 2017. – Т. 2, № 1. – С. 86–92.

История использования слюды. Первую крупнолистовую слюду, с которой познакомилась европейская цивилизация, добывали в Карелии. В XVII – начале XVIII в. её крупными партиями вывозили на запад через Архангельский порт, и она являлась одним из важнейших экспортных товаров России. Светлую слюду называют мусковит. Происходит это название от города Москвы, или правильнее «Московии» [1–2].

Цель работы

Изучение состояния слюдяной отрасли в России: Основные месторождения и запасы слюды. Свойства и разновидности слюды, используемые в слюдяной промышленности. Анализ решения проблемы по восстановлению слюдяной отрасли. Выявление перспективных отраслей её использования.

В настоящее время невозможно установить, когда впервые начали применять слюду как промышленное сырье. Впервые использовалась карельская слюда для вставок в оконные переплёты древнего Новгорода X–XII века. Большой спрос на крупно-листовую слюду был в XVI в. Английские купцы вывозили её из России большими партиями, предпочитая слюдяные окна еще не совершенному тогда оконному стеклу. К середине XVII в. появился самостоятельный центр добычи слюды и в Сибири. Роль местного потребления слюды была довольно велика. В конце XVII в. были открыты месторождения слюды на Алдане, которые не имели в то время большого промышленного применения. В конце XIX и начале XX вв. её использовали для хозяйственных ремесёл. В больших объёмах слюду стали применять в электротехнической промышленности, которая развивалось очень медленно, и только в период войны 1914 г. начался существенный рост. Следующий этап развития слюдяной промышленности Советского Союза имел место во время Великой Отечественной войны. В послевоенные годы было сделано еще одно крупное открытие. Было открыто Ковдорское месторождение флогопитовой слюды. Очень хорошие мусковитые слюды добываются в Индии, их сравнительно невысокая цена складывалась за счёт дешевого рабочего труда. Россия закупала индийскую мусковитную слюду, тем самым пополняя недостающую потребность.

Свойства и разновидности слюды. Слюда является одним из самых распространенных в земной коре минералов. Содержание её в верхних слоях земной коры составляет 2–4 % всего объёма горных пород [3]. Несмотря на широкое распространение в природе различных слюд, в том числе биотита (магнезиально-железистая слюда), лепидолита, циннвальдита (литиевые слюды) и других, наибольшее промышленное значение имеют мусковит KAl2[AlSi3O10](OH,F)2 (калиево-алюминиевая слюда) и флогопит K(Mg,Fe)3[AlSi3O10](OH,F)2 (калиево-магнезиальная слюда) [4].

Важнейшими свойствами мусковита и флогопита, определяющими их промышленное использование (помимо способности к расщеплению на тонкие, упругие и гибкие пластинки), являются: высокая механическая прочность и высокие диэлектрические и электрические свойства.

Запасы слюды в Иркутской области. В недрах Иркутской области имеется два вида слюды: мусковит (светлая калиевая слюда, залегающая в Мамско-Чуйском и Гутаро-Бирюсинском мусковитоносных районах); флогопит (железисто-магнезиальная слюда, сосредоточенная в Слюдянском-флогопитоносном районе). Прогнозные ресурсы всех видов слюды оценены в 1640 млн т, балансовые – в 704 млн т. Известны такие месторождения, как Витимское, Колотовское, Большесеверное, Луговское, Слюдянское, Согдиондонское, Чуйское. Месторождения известны с 1689 г. В настоящее время в районе сосредоточены все основные запасы и вся добыча слюды области [5]. Основными потребителями слюды являлись Иркутская слюдяная фабрика (65 %) и Балашовский слюдокомбинат в Саратовской области (35 %).

Сейчас прогнозные ресурсы флогопита по Слюдянскому району оцениваются примерно в 300 тыс. т. Это позволяет в случае появления спроса на данный вид слюды возобновить добычу в объеме порядка 1,5 тыс. т промсырца в год [6].

Области использования слюд. Флогопит и мусковит – это высококачественные электроизоляционные материалы, незаменимые в электротехнических областях. Большие размеры листов, получаемых при склеивании пластин слюды и миканита, применяются в качестве первосортного электро- и теплоизоляционного материала. Мелкая слюда и скрап, полученный из молотой слюды, используются преимущественно в цементной, строительной, резиновой промышленности, в процессе производства пластмасс, красок, клея, герметиков, мастик и т.д. [7–9].

Государственная политика СССР, направленная на усиление оборонного потенциала страны, привела к стремительному росту военно-промышленного комплекса, ставшего основным потребителем слюды. Слюда становится одним из стратегических видов минерального сырья. Значительно увеличился и ассортимент изделий из нее. Это потребовало открытия специализированных фабрик по переработке слюды. В период с 1925 по 1966 гг. на территории СССР были открыты 13 специализированных фабрик. В начале 1960-х гг. резко возросла потребность народного хозяйства в производстве листовой слюды как материала для электроизоляционной промышленности. Возникла необходимость в подготовке инженерных кадров. Эту работу в Сибири возглавил ректор Иркутского политехнического института (ИПИ) С.Б. Леонов – крупный ученый, государственный деятель, организатор научных исследований вузовской науки. Под его руководством работал большой коллектив ученых в направлении добычи и переработки слюды. В 1980–1990-х гг. был проведен большой объем исследовательских работ по обогащению крупнолистовой и мелкоразмерной слюды, что позволило комплексно использовать минеральное сырье.

Под руководством д.т.н. Т.И. Шишеловой на основе научных достижений и экспериментальных исследований разработаны теоретические основы технологии создания новых термически устойчивых слюдосодержащих материалов и эффективных нагревательных элементов [10–12], предусматривающих расширение сырьевой базы и рациональное использование минерального сырья [13–14]. На основе слюдокерамических электронагревателей (СКЭН) была разработана нагревательная слюдо-керамическая панель. Это была принципиально новая область использования микалекса в электротермии. Были также проведены научные работы по использованию нагревостойких композитов на основе слюды в металлургической промышленности. В частности, изделия из них применялись для разливки алюминия на заводе в городе Шелехов. Совместно с учеными Москвы и Ленинграда были разработаны другие слюдокомпозиты с высокими электротехническими характеристиками взамен дорогостоящих материалов, таких как электротехнический фарфор, кордиеритовая керамика и другие материалы, которые имели более низкие электротехнические характеристики.

Большая работа проведена по внедрению СКЭНов, на основе которых были разработаны системы электроотопления зданий: нагревательные панели, теплые полы, воздухонагреватели, калориферы. В 1950-1960-х гг. в Иркутской области большими темпами развивалась слюдяная отрасль промышленности. В Иркутской области находились две слюдяные фабрики, которые перерабатывали слюду. В настоящее время Иркутская слюдяная фабрика полностью закрыта, а на ее месте расположен рынок. На Нижне-Удинской фабрике функционирует только один цех.

В первой половине 1990-х гг. спрос на слюдяные материалы на российском рынке значительно сократился вследствие резкого падения производства в отраслях ВПК, потреблявших в 1980-е гг. до 70 % добывавшейся в СССР слюды. Это пагубно сказалось на отечественной добывающей слюдоиндустрии. Были законсервированы ранее эксплуатировавшиеся слюдяные месторождения, закрыты, перепрофилированы либо фактически перестали существовать многие слюдоперерабатывающие фабрики [15].

Начиная с 2000-х гг. в связи с постепенным выходом России из экономического кризиса начинает расти потребность отечественного рынка в слюде. Однако количество добываемой в России слюды падает год от года и не удовлетворяет все возрастающие потребности отечественной промышленности.

В настоящее время в Иркутской области имеются очень большие запасы слюды, есть и рабочая сила и еще сохранился научный потенциал. Для возрождения слюдяной отрасли промышленности необходимо разрабатывать новые перспективные области использования слюды, в результате которых слюда займет определенное место в развивающейся индустрии страны. В этом направлении работают ученые ИРНИТУ. Одной из перспективных областей использования слюды является экология [16, 17]. В этом направлении работали и другие ученые [18–20].

Ученые из Государственного университета штата Пенсильвании при поддержке Национального научного общества (NSF) провели исследования по проблеме удаления вредных веществ из загрязненных рек и питьевой воды с помощью слюдяной пульпы. Профессором минералогии глин Ридхаром Комарнени доказано, что синтетическая глина, известная как разбухающая слюда, может отделять ионы радия от воды. Это открытие может иметь огромное значение для ядерной промышленности при проведении захоронений радиоактивных и опасных для окружающей среды промышленных отходов. Ученые из Белоруссии применяли порошок слюды для отчистки водоема от разлива нефти. Авторами работы [21] изготовлены высокогидрофильные фильтры с использованием природных и гидротермальных обработанных наночастиц слюды для эффективного разделения масла и воды. Изготовленная двойная слоистая мембрана показала сверхамфифильные и сверхгидрофильные характеристики в воздухе и под водой соответственно. Мембрана может отделять смеси масло – вода с эффективностью разделения ~99 %. Авторы публикации [22] утверждают, что поверхность материалов, изготовленных из синтетических слюд с поверхностным функционалом обладает высокой эффективностью для адсорбции неионных органических загрязнителей. В работе [23] предлагается использовать термообработанный флогопит для активации щелочи. Авторы работ подтвердили радиационную стойкость минералов, входящих в состав гранитоидов [24, 25].

Особенно широкое применение слюда нашла при производстве композиционных материалов: миканитов, микалексов, новомикалексов, слюдокерамики и ряда других материалов [26–28]. Композиционные материалы на основе слюды стали выпускаться нашей промышленностью сравнительно давно, примерно в 30-х гг. XX в. Научные исследования и разработки технологий этих материалов в большей степени принадлежат учёным и исследователям из Санкт-Петербурга и Москвы [29], Иркутска [30, 10].

Большой вклад в развитие слюдяной отрасли России в целом и в разработку технологий получения микалекса с улучшенными характеристиками в частности внесли учёные ИПИ: Т.И. Шишелова, Л.В. Чиликанова, Т.В. Созинова, Н.В. Леонова, а также профессор Иркутского государственного университета М.С. Мецик.

Микалекс – композиционный материал, получаемый методом горячего прессования смеси мелкокристаллического порошкообразного природного мусковита и тонкодисперсного легкоплавкого стекла. Физические свойства микалекса определяются качеством исходных материалов, их микроструктурой, а также технологией его изготовления. Микалекс обладает большой механической прочностью – предел прочности при статическом изгибе составляет 70–100 МПа.

Авторами проведены исследования новых областей применения микалекса. Методом регистрации ионизирующего излучения и масс-спектроскопическим методом проведены исследования линейных коэффициентов ослабления от γ-излучения микалексов на основе различных слюд после бомбардировки потоками электронов с различными энергиями. Результаты исследований показали, что микалекс как композиционный материал особенно перспективен для захоронения радиационных отходов (РО), поскольку компоненты, из которых он изготавливается – стекло и слюда, сами по себе имеют хорошие показатели по радиационной стойкости. В процессе спекания и горячего прессования образуется монолит с хорошими механическими и электрофизическими свойствами: он не подвержен воздействию влаги, выдерживает сложную технологическую обработку, запрессовку и, как следствие, может быть рекомендован для захоронения РО.

Показана четкая зависимость коэффициента линейного ослабления от состава микалекса: вида использованной слюды, процентного соотношения наполнителей и связующего. Выявлена новая область использования композиционных материалов на основе слюды (микалекса) в качестве радиационно стойких материалов и материалов для захоронения РО.

Проведены испытания микалекса на газоотделение в сверхвысоковакуумной установке УСУ-3 (вакуум 10-11 мм рт.ст., t = 30 °С). В течение всего эксперимента проводился масс-спектрометрический контроль состава остаточных газов. Испытания показали, что наличие образца в системе не сказалось ни на режиме откачки, ни на значении предельно достижимого вакуума, ни на спектре остаточных газов. Это дает возможность использования микалекса в электронной промышленности в качестве заменителя сверхвысоковакуумной керамики (СВВК), а также в области космических технологий.

Редкие природные качества слюды будут востребованы в развитии технологий будущего, например в нанотехнологиях. Отдельные компоненты из графена уже существуют, например ультрабыстрые транзисторы или детекторы размером всего в одну молекулу. Однако для применения в реальном мире данный материал необходимо разместить на некоторой подложке, которая за счет взаимодействия может существенно ухудшить его свойства. При взаимодействии со слюдой электронная структура графена остается неизменной. Использование слюды будет востребовано практически во всех макро- и наносферах завтрашнего дня. А потому дальнейшее исследование этого минерала привлекает пытливые умы многих учёных.

В настоящее время успешно ведутся работы по созданию композиционных материалов на основе полимерных матриц. Наполнителями таких материалов часто являются представители природных слоистых силикатов. Для изготовления композита требуется измельчение исходного минерального сырья для получения наполнителя нужного размера и формы. Частицы слюды в большинстве случаев имеют форму микропластин, что позволяет использовать их в нанокомпозитах.

Выводы

Для успешного возобновления слюдяной промышленности необходимо расширять и выявлять новые области использования слюды. Наиболее перспективными среди них являются:

– экология: использование слюды в качестве сорбента для очистки воды от различных загрязнителей;

– создание на основе слюд материалов для радиационной защиты и захоронения РО;

– возможность использования слюды в космической отрасли;

– использование слюды в нанотехнологиях.

Особое внимание нужно уделить силикатсодержащим нанокомпозитам как машиностроительным материалам, оптимально сочетающим высокие параметры физико-механических, технико-экономических и технологических характеристик и имеющим долгосрочную перспективу развития.


Библиографическая ссылка

Шишелова Т.И., Житов В.Г. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СЛЮДЯНОЙ ОБЛАСТИ. ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ // Успехи современного естествознания. – 2018. – № 3. – С. 133-139;
URL: http://www.natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36715 (дата обращения: 23.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074