Хризотил-асбест

Химический состав. По химическому составу асбест является водным силикатом магния — 3MgO · 2SiO₃ · 2H₂O. Весовое содержание этих окислов в % следующее:
MgO — 43,46%, SiO₂ — 43,5%, H₂O — 13,04%.

В составе хризотил-асбеста может быть некоторое количество загрязняющих минеральных примесей, количество которых колеблется даже в одном и том же месторождении и достигает следующих величин: FeO + Fe₂O₃ — до 8%, Al₂O₃ — до 3,6%, СаО встречается редко, но содержание его может достигать 1,4%.

Из загрязняющих примесей наиболее отрицательно влияют на физико-механические свойства хризотил-асбеста карбонаты кальция (СаСO₃), которые, цементируя элементарные кристаллы, увеличивают их агрегатную связность, что влечет за собой снижение эластичности и распушиваемости волокон.

При использовании асбеста в электроизоляционных материалах важно, чтобы содержание в нем магнетита, мегамита и щелочей было минимальным, так как эти примеси повышают электропроводимость асбеста.

Результаты химического анализа кускового хризотил-асбеста (крюда) различных месторождений приведены в табл. 1.

Таблица 1. Химический состав хризотил-асбеста различных месторождений в %

* По данным ВНИИАсбеста.

На результат химического анализа асбеста влияет как содержание посторонних включений, так и тщательность очистки от них исследуемых образцов. Все это придает определенную условность результатам химических анализов асбестовых минералов вообще и хризотил-асбеста в частности.

Наибольшие трудности при химическом анализе асбеста встречаются при определении химически связанной воды. Дело в том, что адсорбированная (гигроскопическая) вода выделяется полностью лишь при нагревании до температуры порядка 370° С. Асбест содержит также в различных количествах примеси карбонатов магния и кальция, вследствие чего результаты определения содержания химически связанной воды по величине потери при прокаливании могут быть существенно завышены.

Для точного определения содержания химически связанной воды в асбесте следует перед прокаливанием нагреть исследуемый образец до 370° С, а в процессе прокаливания определять наряду с количеством выделившейся воды и объем выделившегося углекислого газа. Рекомендуется рентгеновским анализом проверить, не присутствуют ли в исследуемом образце и другие посторонние минералы, особенно с высоким содержанием воды.

Структура. Асбест является кристаллическим телом. От прочих минералов он отличается волокнистым строением и чрезвычайной тониной элементарных волокон (кристаллов). Волокно хризотил-асбеста, как бы тонко оно ни было, состоит из громадного числа параллельно расположенных тончайших элементарных волоконец.

В кристаллических телах атомы расположены в строгом порядке, и они находятся один от другого на строго определенных расстояниях. Порядок расположения атомов и называется структурой данного кристаллического тела. Если центры атомов кристаллического тела соединить прямыми линиями, то мы получим кристаллографическую решетку данного кристалла. Эти прямые линии образуют правильные геометрические фигуры (кубы, параллелепипеды и т. п.), являющиеся элементарными ячейками, из которых составлен данный кристалл.

Рис. 1. Кристаллографическая решетка поваренной соли

На рис. 1 показана кристаллографическая решетка поваренной соли (NaCl). Более крупными кружками здесь обозначены атомы натрия, а более мелкими — атомы хлора. Мы видим, что элементарные ячейки кристаллографической решетки поваренной соли имеют форму кубов, поэтому такая структура называется кубической. У кристаллических тел более сложного химического состава кристаллографическая решетка имеет более сложную форму. Структуру кристаллических тел исследуют при помощи рентгеновских лучей, и само исследование называется рентгеноструктурным анализом.

При помощи рентгеновских снимков К. В. Васильев впервые (в 1927 г.) доказал волокнистость структуры хризотил-асбеста. Однако выяснение расположения атомов в кристаллической решетке хризотил-асбеста встретило большие трудности, которые не преодолены и в настоящее время. Трудность выяснения атомной структуры этого минерала определяется тем, что волокно асбеста состоит из огромного количества элементарных кристаллов (волоконец), оси волокнистости которых, хотя и взаимно параллельны, но относительно этой оси все эти элементарные кристаллы в волокне асбеста повернуты под различными, произвольными углами. Возникающие в связи с этим трудности настолько велики, что до настоящего времени так и не удалось окончательно установить структуру хризотил-асбеста, и все схемы расположения атомов в кристаллографической решетке хризотил-асбеста, по существу, предположительные.

Рис. 2. Кремний-кислородный тетраэдр ● — атом кремния; ο — атом кислорода

В 1930 г. американские ученые Брэгг и Уоррен предложили следующую гипотетическую структуру этого минерала.

Волокнистая структура хризотил-асбеста определяется цепочками кремния-кислорода, где каждый атом кремния окружен четырьмя атомами кислорода, образующими тетраэдр (трехгранную призму). На рис. 2 вверху изображен этот тетраэдр в перспективе, а внизу — в плане. Такие тетраэдры образуют звенья цепочки, являющейся как бы скелетом структуры элементарного волокна хризотил-асбеста. В указанных цепочках три кислородных атома, составляющие основание тетраэдра, будут общими для соседних тетраэдров, с которыми они образуют звенья, а последние — цепь. Атомы магния и воды расположены между рядами этих кремний-кислородных цепочек. Прочная связь между атомами кремния и кислорода ограничивается лишь этими цепочками, что придает волокнам асбеста высокую механическую прочность по оси волокнистости; между собой же соседние цепочки связаны вторичными слабыми силами, действующими лишь на небольших участках цепочек. Этим Брэгг и Уоррен объясняли способность асбеста распадаться на тончайшие волоконца.

Такая гипотеза позволяла удовлетворительно объяснить высокую механическую прочность волокон асбеста, слабую связь в этой структуре магния с остальными элементами и обусловленную этим слабую кислотостойкость хризотил-асбеста. Однако последующие исследования не подтвердили цепочечное строение кремний-кислородных тетраэдров, и Уоррен отказался от выдвинутой им гипотезы структуры хризотил-асбеста. Изобретение электронного микроскопа, позволяющего вести исследования при увеличении до 1000000, открыли новые возможности в изучении структуры хризотил-асбеста. При просмотре на этом аппарате было обнаружено трубчатое строение элементарных кристаллов (фибрилл) хризотил-асбеста, которое вскоре было подтверждено и рентгеноанализом. По современным представлениям волокна хризотил-асбеста представляют собой гексагональную, плотную упаковку элементарных волоконец (фибрилл). Каждая фибрилла является трубкой с внутренним диаметром 30—60 Å и наружным в среднем 300—400 Å. Стенки трубок образованы примерно 20 двойными ленточными слоями. Один слой состоит из описанных выше кремний-кислородных тетраэдров с гидроксильными группами в плоскости вершин. Три кислородных атома этих тетраэдров — общие с соседними тетраэдрами, поэтому их состав выражают формулой Si₂O₅. На вершинах этих тетраэдров расположен второй слой. Он состоит из гидроксильных групп и ионов магния и скручивает двойной ленточный слой в полую трубку. По этой гипотезе структурно-химический состав хризотил-асбеста выражается следующей формулой: O₆ — Si₄ — O₄ (ОН)₂ — Mg₆ — (ОН)₆, где кислород (O₆) является основанием четырех тетраэдров, входящих в элементарную ячейку кристаллографической решетки, а четыре атома кремния (Si₄) располагаются внутри этих четырех тетраэдров (см. рис. 2); четыре атома кислорода O₄ образуют вершины этих тетраэдров, а гидроксильные группы (ОН) 2 расположены в плоскости вершин тетраэдров и связывают их со вторым структурным слоем — Mg₆ — (ОН)₆. Высказывается предположение, что внутренняя полость трубок, а также пустоты между фибриллами заполнены аморфным веществом либо слоями, формирование которых не закончилось, и лишь незначительная часть этих пустот остается свободной.

Д. М. Хейкер с сотрудниками (НИИАсбестцемент) методом малоуглового рассеяния на рентгеновской установке Определили средние величины параметров фибрилл хризотил-асбеста главнейших месторождений СССР. Эти данные приведены в табл. 2.

Таблица 2. Средние величины параметров фибрилл хризотил-асбеста главнейших месторождений СССР (размеры в Å)

Месторождения	Наружный диаметр	Внутренний диаметр	Толщина стенки	Число двойных слоев	Пористость в %
Баженовское: нормальное волокно ломкое волокно Ак-Довуракское Джетыгаринское Киембаевское	340 — 390 384 380	50 — 50 70 60	145 144 170 157 160	19 19 23 21 21	0,7 0,8 0,7 2,7 0,5

Толщина двойного слоя стенки фибрилл около 7,5 Å. Из сравнения с опубликованными данными по параметрам фибрилл некоторых зарубежных месторождений хризотил-асбеста следует, что толщина стенок фибрилл асбеста Баженовского месторождения такая же, как и фибрилл асбеста месторождений Канады, пористость же и размер внутренних диаметров примерно в два раза меньше.

Однако и эта гипотеза не получила еще общего признания.

Показатель преломления хризотил-асбеста находится в пределах 1,5—1,55*. Поскольку показатель преломления асбестов амфиболовой группы значительно выше (от 1,6 до 1,7), то по его значению можно легко определить, к какой группе — серпентиновой (хризотил-асбест) или амфиболовой — относится данный асбест.

Удельный вес хризотил-асбеста**, в зависимости от содержания химически связанной (высокотемпературной) воды и железа находится в пределах от 2,4 до 2,6 г/см³.

• Механические свойства
• Адсорбционные свойства
• Теплостойкость
• Теплопроводность
• Химическая стойкость
• Обогащение хризотил-асбеста
• Сорта и марки хризотил-асбеста
• Контроль качества сортового хризотил-асбеста, применяемого асбестоцементной промышленностью
• Определение содержания влаги (влажности асбеста)
• Определение степени распушки асбеста на приборе ПРА-1
• Определение фракционного состава асбеста методом гидроклассификации
• Краткие сведения об асбестах группы амфиболов