авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Разработка композиционных материалов на основе соединений силиката натрия и каолина

-- [ Страница 2 ] --

Дополнительное введение к каолину мела и железного сурика (каолин 50 мас.%, мел 35 мас.%, Fe2O3 15 мас. %) приводит к тому, что прочность коагуляционной структуры, константа консистенции и индекс течения уменьшаются приблизительно в 2 раза. По истечении 24 ч эти характеристики возрастают не менее чем на 70–80 %. Это связано с тем, что присутствующие в композиции мел и Fe2O3 медленнее образуют коагуляционные связи в дисперсионной среде по сравнению с каолином. Пологий участок реологических кривых составляет 180…200 Па. Прочностные характеристики отверждённых композиций при этом несколько снижаются, но, с другой стороны, уменьшается их вымеливание и в 3 раза – смываемость силикатной плёнки.

Характерно, что уменьшение содержания каолина в твёрдой части композиции с 50 до 30 мас. %, при содержании мела 50 мас. % и талька 20 мас. %, заменившего Fe2O3, позволяет повысить её щёлоче- и водоустойчивость, а также твёрдость плёнки с 0,29 до 0,33 у.ед. Характер изменения реологических параметров в течение 24 ч указывает на стабилизацию коагуляционных связей между дисперсными частицами. С другой стороны, пигментная часть, где тальк не введён и содержание каолина уменьшено до 15 мас. %, а в системе превалирует мел (55 мас. %) и железный сурик Fe2O3 (30 мас. %), обеспечивает рост прочности коагуляционной структуры в процессе хранения более чем в 1,5 раза; константа констистенции увеличивается в 2,4 раза, а индекс течения уменьшается с 0,14 до 0,06; пологий участок на кривой течения достигает 500…600 Па. Эти факты свидетельствуют о существенном упрочнении структуры образца при хранении, что, вероятно, следует отнести на счёт действия Fe2O3. Такая композиция обладает повышенной водоустойчивостью и даёт твёрдые плёнки (0,34 у.ед.) с малой смываемостью (7,2 %) при действии нагрузки 20 Н.

Установлено, что замена в пигментной части композиции каолина на диоксид титана (TiO2) в сочетании с мелом (50 мас. %) и тальком (20 мас. %) даёт систему с малопрочной коагуляционной структурой. Однако при хранении в течение 24 ч мощность на её разрушение резко возрастает (до 0,97 МВт/м3), а также в 2 раза снижается индекс течения. Как и в случае применения железного сурика, композиции для образования стабильной структуры требуется определённое время. Эксплуатационные свойства при этом сопоставимы с композициями, содержащими до 30 мас. % каолина в пигментной части, однако стоимость титансодержащих составов выше, чем аналогичных, содержащих каолин. Полученные данные согласуются с данными исследований, согласно которым смеси компонентов «каолин – мел – тальк» в растворах латексов, как, видимо, и в растворах силиката натрия, дают менее прочную коагуляционную структуру, чем каждый из компонентов в отдельности. И, напротив, для сочетания «каолин – тальк» (соединения алюминия и магния) в пигментной части силикатной композиции аналогично водно-дисперсионным смесям наблюдается синергетический эффект в отношении коагуляционной структуры. Таким образом, установлено, что введение в композицию на основе ЖСК бутадиенстирольного латекса, а в состав пигментной части дополнительно к мелу, 15-30 мас.% наполнителя – каолина позволяет получать жизнеспособные композиции, которые можно использовать для защиты минеральных подложек. В качестве сонаполнителя композиций светлых тонов, целесообразно использовать тальк (до 20 %), а железный сурик является подходящим компонентом цветовых пигментных смесей, включающих каолин (~30 мас. %).

Оксиды алюминия, железа и цинка в значительном количестве содержатся также в отходах химической и стекольной промышленности. Так, типовая композиция на основе немодифицированного натриевого ЖС (обр. 1), где пигментная часть включает мел (75 мас. %), тальк (15 мас. %) и железный сурик (10 мас. %), нежизнеспособна, даёт неустойчивые в воде покрытия с малой эластичностью (табл. 1) и обладает малопрочной коагуляционной структурой: N = 0,02 МВт/м3; кроющая способность составляет 250 г/м2.

Модифицирование ЖС карбамидом, и введение взамен мела до 5 % отходов стекольного производства приводит к тому, что жизнеспособность композиции возрастает (120 сут., обр. 2). Однако прочность коагуляционной структуры уменьшается вдвое, индекс течения системы снижется с 0,17 до 0,11; пологий участок реологической кривой при переходе к образцу 2 сокращается с 200…220 Па до 120 Па. Введение в композицию в качестве физического модификатора латекса СКС-65-ГП в количестве 20 мас. % (обр. 3-5) позволяет более чем на порядок увеличить прочность коагуляционной структуры. Наиболее стабильные реологические свойства проявляются у смеси, включающей ~20 мас. % железного сурика (обр. 5); при этом массовое соотношение отходы стекольного производства: сурик соблюдается на уровне 1:3. Как видно из табл. 1, композиция жизнеспособна 120 сут., обладает высокой кроющей способностью (расход 75 г/м2), проч-

Т а б л и ц а 1

Свойства силикатных композиций после отверждения на минеральной подложке

№ образца Время отверждения, ч Прочность плёнки при изгибе, мм Твёрдость плёнки по маятниковому прибору, у. ед. Кроющая способность композиции на cухую плёнку, г/м2 Водоустойчивость покрытия, через 24 ч Смываемость плёнки при истирании под действием нагрузки, % Жизнеспособность композиции, сут.
1 8 50 0,32 250 неустойчиво 100 0,5
2 8 16 0,38 200 слабо вымеливает 12,4 120
3 7 10 0,39 80 без изменений 5,6 120
4 7 10 0,49 70 без изменений 3,6 120
5 7 10 0,41 75 без изменений 5,3 120
6 7 10 0,34 180 без изменений 7,3 120
7 7 10 0,32 250 без изменений 8,5 0,5
8 6 15 0,30 200 без изменений 9,8 120
9 6 16 0,32 без изменений 10,5 0,5
10 6 10 0,41 80 без изменений 7,8 120
11 6 10 0,47 105 без изменений 8,7 120
12 6 10 0,39 115 без изменений 9,3 120

ность плёнки при изгибе – 10 мм, твердость – 0,41 у.ед., смываемость при истирании под действием нагрузки 20 Н – 5,3%. Этот факт свидетельствует в пользу широких возможностей введения соединений SiO2 и Al2O3 в композиции на основе модифицированного силиката натрия.

Полная замена пигментной части на отход производства ронгалита (ОПР) обеспечивает возрастание прочности коагуляционной структуры в 2-3 раза против образцов 3-5 – при условии, что содержание латекса в смеси составляет 20-35 мас. % (обр. 6-8). Достаточно высокое содержание латекса (35 мас. %, обр. 7), хотя и позволяет получить композицию со значительной мощностью на разрушение коагуляционной структуры (рис. 1, в), приводит к тому, что спустя 24 ч она теряет жизнеспособность (табл. 1). Повышенная концентрация латекса в смеси нецелесообразна и с экономической точки зрения. Подходящим условием распределения в смеси пигмента является отношение модифицированное ЖС:ОПР = 1:1 (рис. 1, а, б), а латекс требуется вводить в композицию в количестве 2025 мас. % при незначительном содержании в ней воды (до 5 мас. %).

Снижение доли модифицированного ЖС за счёт повышения твёрдой фазы до 45 % (рис. 1, г) чревато последствиями в виде снижения жизнеспособности композиций (табл. 1, обр. 9). Спустя 24 ч получить кривые течения не представляется возможным. Это подтверждают теоретические выкладки, свидетельствующие о высокой реакционной способности оксида цинка и цинковой пыли по отношению к водорастворимым силикатам. Наилучшими свойствами обладает образец 6, где содержание латекса находится на уровне ~25 мас.%.

Введение в пигментную часть, дополнительно к мелу и тальку, 50 мас.% золы (обр. 10) приводит к упрочнению коагуляционной структуры во времени. Индекс течения композиции снижается за 1 сут. лишь с 0,22 до 0,16, а константа консистенции – напротив, возрастает в 1,5 раза. При меньшем содержании золы в составе пигментной части (12–25 мас.%, обр. 11, 12) реологические свойства композиций при хранении изменяются незначительно. Химический состав золы-уноса ТЭС во многом близок к каолину (она включает 52-61 % SiO2, 22-27 % Al2O3), что объясняет сходство реологического поведения таких смесей и кривых течения дисперсий «каолин – мел – тальк». На основании реологических исследований и анализа физико-химических свойств отверждённых композиций

Рис. 1. Кривые течения при 20 °С свежеприготовленных (1) и выдержанных в течение 24 ч композиций (2) из натриевого ЖС, модифицированного карбамидом, при различном содержании в них отхода производства ронгалита и ЛБС. Пигментная часть цинксодержащий отход производства ронгалита. а, б – ЖСК:ОПР = 1:1; в ЖСК:ЛБС = 1:1, без добавки воды; г содержание отхода в композиции максимально (45 мас. %). Содержание ЛБС в композиции, мас. %: а – 25; б – 12,5; в 35, г 20

установлено, что содержание золы в пигментной части защитных композиций не должно превышать 25–30 мас.%. Их кроющая способность повышается приблизительно в 2 раза по сравнению с композициями, включающими соединения цинка; твёрдость покрытий достигает 0,47 у.ед. (табл. 1, обр. 11) и, кроме того, проявляется эффект утилизации золы: смеси относят к классу малоопасных веществ. Рекомендуется использовать их в крупных промышленных центрах в случаях, когда воздух содержит много пылевидных частиц и поверхности быстро загрязняются – для защиты элементов из бетона и цемента, расположенных на незначительном расстоянии от земли.

Положительный эффект от введения в неорганическую пигментную часть композиции промышленных отходов проявляется и на многокомпонентных смесях металлов. Так, использование шламовых осадков или паст в составе силикатных композиционных материалов является возможным в виду схожести химического состава отходов и типовых неорганических добавок.

Предлагается утилизировать шламовые пасты без их обезвоживания в технологии производства силикатной краски. Таковые представляют собой смесь щелочестойких пигментов и наполнителей – мела и талька в растворах щелочных силикатов определенной концентрации. Исследования проводили на образцах шламов, взятых с различных электрохимических и гальванических предприятий г. Воронежа (завод «Процессор», завод алюминиевых конструкций). Они имеют пастообразную консистенцию и включают, мас. %: Cu2+ 0,2–2,1; Fe (III) 0,7–6,0; Ni2+ 0,01–0,36; Zn2+ 0,08; Cr (III) 0,03–0,05; Pb2+ 0,01–0,07; Ca2+ 21,5–6,0; вода – остальное. Следовательно, в смеси большей частью присутствуют соединения кальция, железа и, в меньшей степени, меди. Роль соединений железа сводится к тому, что они при взаимодействии с ЖС дают водонерастворимые силикаты и образуют на подложке твёрдые и прочные плёнки. Оксид и гидроксид кальция относятся к добавкам осаждающего типа, обеспечивающим как линейную, так и пространственную полимеризацию силикатов по схеме:

полимеризация

истинный раствор коллоидные частицы (золь)

агрегация конденсация

сетка частиц (гель) ксерогель

В свою очередь, оксиды и гидроксиды меди обладают способностью улучшать защитно-декоративные характеристики силикатных композиций и входят в бактерицидные составы. Были изучены свойства силикатных композиций и покрытий из них на бетонных, стеклянных и металлических пластинах, полученных при замене пигментной части композиций (мел, тальк и Fe2O3) на шламовые осадки электрохимических производств. Разработанные композиции, жизнеспособные 120 сут. при различном соотношении ЖС: модификатор: шламовая паста, отличаются высокой прочностью плёнок при испытании на изгиб и укрывистостью в пределах 110-150 г/м2. Твёрдость покрытий по маятниковому прибору достигает 0,39 у.ед., что на 7–30 % выше таковой для композиций со стандартной пигментной частью. Атомно-абсорбционным и расчётным методом определено содержание тяжёлых металлов в водных вытяжках после истирания отверждённых композиций под действием нагрузки 20 Н. Шестивалентный хром и кадмий в покрытии отсутствуют; согласно токсиколого-гигиеническому паспорту полученная краска отнесена к IV классу опасности (вещества малоопасные). При статическом воздействии влаги на покрытия концентрация загрязняющих веществ в водах, принимаемых в систему канализации, находится в пределах нормативно-допустимых значений.

Гидратированные силикаты натрия, представляющие собой аморфные гранулы диаметром 1-2 нм химической формулы Na2SiO3 · 5Н2О, в смеси с соединениями алюминия, как и ЖС, могут быть использованы для получения новых композиционных материалов цеолитов. Последние применяют в промышленности для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов, газовых потоков от органических компонентов, а также поглощения радионуклидов и других вредных веществ из организма человека. Попытка использовать для получения этих композиционных материалов алюмосиликатных отходов промышленного производства, к сожалению, приводит к получению продукта с невысокой динамической адсорбционной влагоёмкостью, а также низкой механической прочностью гранул (0,3-1,0 МПа) и неудовлетворительной истираемостью их поверхностного слоя. Ранее на основании рентгенофазового анализа и данных ИК-спектроскопии было установлено, что цеолит типа NaA образуется в процессе обработки в вибромельнице соединений, содержащих конституционную воду, – гидратированного силиката натрия, гидроксида алюминия (гидраргиллита) и гидрокремнегеля:

Na2SiO3·5H2O+2Al(OH)3 +SiO2·0,875H2ONa2O·Al2O3·2SiO2·8,875H2O

Прокаливание служит завершающим этапом формирования кристаллической решётки. Выявлено, что вместо гидрокремнегеля можно использовать и диоксид кремния с содержанием основного вещества (SiO2) 96,3 %, тогда соотношение компонентов силикатной смеси также соответствует стехиометрии реакции получения цеолита NaA:

Na2SiO3·5H2O +2 Al(OH)3 + SiO2 Na2O·Al2O3·2SiO2·8H2O

Обработку компонентов можно проводить и в планетарной мельнице; продолжительность процесса сокращается с 30 до 3 мин., однако энергонапряжённость при смешении необходимо увеличить с 5,4 до 200 Вт/г. Процесс в шаровой мельнице протекает в течение 20 ч. После получения гранул диаметром 3-4 мм, их сушки и прокаливания при 450–70 °С удаётся получать продукт формулы Na2O·Al2O3·2SiO2·8H2O с прочностью гранул на раздавливание по торцу 2,3 МПа, что на 15 % превышает аналогичный показатель при использовании соединений гидрокремнегеля, тогда как динамическая адсорбционная влагоёмкость, выраженная в процентах весу цеолита, напротив, снижается на 14 %. Установлено, что такие технические алюмосиликаты могут быть синтезированы без проведения стадии гидротермальной кристаллизации. Это исключает образование избыточных сточных вод и повышает экологичность производства.

Настоящая часть работы защищена заявкой № 2006124498/15 (026566) Российской Федерации; заявл. 07.07. 2006; решение о выдаче патента РФ 16.07.2007.

В четвёртой главе рассматриваются вопросы формирования многокомпонентных смесей из каолина, его активации кислотными и щелочными реагентами и последующего затворения растворами натриевого жидкого стекла, в том числе подвергнутого предварительной модификации карбамидом. Дифрактограмма образца отечественного каолина ООО НПП «Промышленные минералы» (Самарская обл.), взятого в качестве объекта для исследований, показывает, что он включает каолинит (до 95 %) с примесями -кварца и Fe2O3 (рис. 2). Согласно гранулометрическому составу, в исходном образце доля частиц 2,5 мкм составляет 12 %, а преобладающая фракция (34,8 %) включает частицы 10-20 мкм. Таким образом, в данном случае нельзя говорить об использовании тонкодисперсного порошка, однако выявлено, что существенного изменения свойств материала каолина можно добиться за счёт обработки его поверхности органическими кислотами.

Из рис. 3 видно, что при увеличении (до 6 мас. %) в каолиновых суспензиях содержания органических кислот, поступающих с жидкой фазой уксусов, наблюдается увеличение прочности коагуляционной структуры, причём крутизна подъёма N – наибольшая в интервале концентраций 03 мас. %. Прочность коагуляционной структуры в случае, когда в качестве дисперсионной среды выступает виноградный уксус, приблизительно в 2,0–3,5 раза выше по сравнению с образцами, включающими яблочный уксус. Этот факт находится в корреляции с более значимым (в 40 раз) содержанием в первом винной кислоты. Зависимости индекса течения от концентрации органических кислот также имеют максимум в указанном диапазоне СК. Поведение суспензий свидетельствует о том, что при введении уксусов вокруг частиц твёрдой фазы образуется сольватная оболочка, в формировании которой участвуют молекулы органических кислот, являющиеся, как и вода, полярными электролитами, способными взаимодействовать с поверхностью каолинита.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.