Теоретические основы выбора аппретирующего материала для блокировки поверхности активного наполнителя | Статья в журнале «Молодой ученый»

Авторы: , ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №7 (87) апрель-1 2015 г.

Дата публикации: 30.03.2015

Статья просмотрена: 43 раза

Библиографическое описание:

Полубарова Ю. В., Шитова И. Ю., Самошина Е. Н. Теоретические основы выбора аппретирующего материала для блокировки поверхности активного наполнителя // Молодой ученый. — 2015. — №7. — С. 191-196. — URL https://moluch.ru/archive/87/16782/ (дата обращения: 24.05.2018).

В статье научно обоснован выбор аппретирующего материала для блокировки поверхности активного наполнителя при изготовлении серных композитов. Выбор аппрета проведён по его способности образовывать гомогенные термодинамически устойчивые смеси в керосине, оцениваемой величиной энергии Гиббса.

Ключевые слова: сера, серный композит, аппрет, синтетический каучук, энергия Гиббса.

 

Как известно, сера является активным веществом, способным вступать в химические взаимодействия со многими наполнителями с образованием растворимых соединений [3…5, 7]. Так, для серных композитов на фторидах магния и кальция установлено образование на границе раздела фаз «сера — наполнитель» водорастворимых сульфидов кальция и магния CaS и MgS, а на молотом кварцевом наполнителе — водорастворимых сульфидов кремния SiS и SiS2 [6]. В процессе эксплуатации сульфиды разлагаются водой, что существенно ухудшает физико-механические и эксплуатационные свойства материала.

Перспективным направлением, получившим широкую апробацию при изготовлении полимерных композитов, является аппретирование поверхности наполнителя, которое позволяет предотвратить образование водорастворимых сульфидов. В качестве аппретов в работе предлагается использовать жидкие каучуки, основные свойства которых приведены в табл. 1. Каучуки в расплаве серы (при изготовлении материала) вулканизируются с образованием непроницаемой для серы оболочки вулканизата, которая предотвращает её химическое взаимодействие с дисперсной фазой.

Для равномерного распределения аппрета на поверхности частиц наполнителя предварительно следует приготовить его растворы в каком-либо органическом растворителе. В работе предлагается использовать керосин.

Таблица 1

Основные свойства каучуков, применяемых в качестве аппретирующего материала

Марка каучука

Молярная масса, г/моль

Плотность, кг/м3

Вязкость, Па∙с (Т=25°С)

Содержание звеньев в полибутадиеновой цепи, %

цис – 1,4

транс — 1,4

– 1,2

Стереорегу-лярный полибутадиен (СКДН-Н)

1500–3000

890

1,5

75,5

15

9,5

Полибутадиен смешанной микрострукту-ры (ПБН)

700–4500

945

1,5

25–30

35–40

28–35

Polyoil 110

1800

871

0,9

75

24

1

 

Для оценки возможности растворения предлагаемых в качестве аппретов каучуков в керосине был использован расчётный метод, предложенный в работах [1, 8]. Обязательным условием образования гомогенной (однофазной) термодинамически устойчивой смеси является уменьшение свободной энергии системы  при совмещении компонентов:

,                                                                                         (1)

где  - теплота смешения компонентов; - энтропия смешения компонентов;  - абсолютная температура.

Особенностью систем, содержащих органические соединения, является большое влияние энтропийного фактора. В соответствии с теорией Флори - Хаггинса изменение энтропии при смешении компонентов определяется по уравнению:

,                                                                                (2)

где  - универсальная газовая постоянная; , - соответственно, объёмная доля и число молей -го компонента.

Теплоту смешения  при условии отсутствия специфических взаимодействий между компонентами смеси (сольватации, комплексообразования и др.), согласно Дж. Гилдебрандту [8], можно определить по уравнению:

,                                                                                     (3)

где - объём смеси; - параметр растворимости -го компонента.

Из уравнений (1) и (2) следует, что растворение каучука в керосине возможно при равенстве параметров растворимости аппрета  и керосина .

Анализ научно-технической литературы показывает, что существует несколько расчётных и экспериментальных методов для определения параметра растворимости. Однако в вопросе определения значений  у исследователей нет единого мнения.

В данной работе для расчёта параметра растворимости жидких каучуков использовали метод Смола, основанный на предположении об аддитивности действия сил сцепления отдельных атомных групп и радикалов, входящих в состав молекулы. Если известна структурная формула вещества, применение метода не вызывает затруднений. Значения параметра растворимости рассчитывают по формуле:

,                                                                                                      (4)

где  - плотность вещества; - молекулярная масса вещества (элементарного звена полимера); - сумма констант притяжения отдельных атомных групп вещества (например, элементарного звена полимера).

Для расчёта параметра растворимости керосина применяли формулу:

,                                                                                                            (5)

где , ,  - соответственно, энергия испарения, плотность и молекулярная масса керосина.

Для энергии испарения органических веществ применимо уравнение Троутона:

,                                                                                                                       (6)

где - константа, равная 89,12 Дж/(моль×К); - температура кипения.

В табл. 2 представлены значения параметра растворимости серы, керосина и каучуков.

Таблица 2

Результаты расчёта параметра растворимости

Вещество

Параметр растворимости (Дж/см3)0,5

Сера

10,16*

СКДН-Н

14,60

ПБН

16,03

Polyoil 110

15,11

Керосин

14,19

Примечание. * — параметр растворимости серы рассчитан по формуле , где  - энергия когезии.

 

На рис. 1 представлена диаграмма растворимости указанных аппретов в керосине в широком диапазоне изменения концентраций.

Рис. 1. Зависимость энергии Гиббса (процесса растворения) от вида и концентрации каучука (при температуре растворения Т=20оС)

 

Анализ данных, представленных на рис. 1, показывает, что способностью к образованию гомогенной системы обладают все предлагаемые в качестве аппретов каучуки, но наилучшей растворимостью в керосине обладает каучук марки СКДН-Н.

При введении наполнителя, обработанного аппретом, в расплав серы возможно растворение каучука в сере.

При расчёте теплоты смешения в многокомпонентных системах возникает проблема, заключающаяся в ограниченности применения уравнения Гилдебранда, которое применимо только для бинарных систем. Решить задачу по вычислению теплоты смешения в многокомпонентных смесях (рассчитать изменение свободной энергии системы (энергии Гиббса) при совмещении нескольких веществ) авторы работы [2] предлагают составлением матрицы теплот смешения компонентов, рассчитанных по уравнению (2):

.

Теплоту смешения системы, содержащей  элементов, предлагается определять по формуле:

.                                                                                                (7)

После вычисления  и  определяют изменение энергии Гиббса при совмещении компонентов.

Результаты расчётов представлены на рис. 2…4.

Рис. 2. Зависимость энергии Гиббса трёхкомпонентной системы «ПБН - керосин - сера» от концентрации компонентов

 

Рис. 3. Зависимость энергии Гиббса трёхкомпонентной системы «Polyoil 110 - керосин - сера» от концентрации компонентов

 

Рис. 4. Зависимость энергии Гиббса трёхкомпонентной системы «СКДН-Н - керосин - сера» от концентрации компонентов

 

Анализ рис. 2…4 показывает, что для обеспечения сохранности слоя аппрета на поверхности наполнителя, необходимо применять высококонцентрированные растворы каучуков в керосине.

Таким образом, проведённые расчёты показали, что каучуки целесообразно использовать для повышения качества серных композиционных материалов, в том числе специального назначения.

 

Литература:

 

1.                  Евстратова, К. И. Физическая и коллоидная химия [Текст] / К. И. Евстратова, Н. А. Купина, Е. Е. Малахова — М.: «Высшая школа», 1990. — 486 с.

2.                  Королев Е. В. Радиационно-защитные и коррозионно-стойкие серные строительные материалы [Текст] / А. П. Прошин, Ю. М. Баженов, Ю. А. Соколова. — М.: Палеотип, 2006. — 272 с.

3.                  Королев Е. В. Строительные материалы на основе серы [Текст] / Е. В. Королев, А. П. Прошин, В. Т. Ерофеев, В. М. Хрулев, В. В. Горетый — Пенза-Саранск: МГУ, 2003. — 372 с.

4.                  Королев Е. В. Радиационно-защитные и коррозионно-стойкие серные строительные материалы [Текст] / Е. В. Королев, А. П. Прошин, Ю. М. Баженов, Ю. А. Соколова — М.: Палеотип, 2004. — 464 с.

5.                  Королев Е. В. Серные композиционные материалы для защиты от радиации [Текст] / Е. В. Королев, А. П. Прошин, В. И. Соломатов — Пенза: ПГУАС, 2001. — 210 с.

6.                  Шитова И. Ю. Структурообразование в наномодифицированных серных композиционных материалах [Текст] / О. П. Зангиева // Современные проблемы науки и образования. — 2015. — № 1; URL: http://www.science-education.ru/121–17709.

7.                  Яушева Л. С. Серобетоны каркасной структуры [Текст] / Л. С. Яушева — Дис… канд. техн.наук. — Саранск: МГУ им. Н. П. Огарева, 1998. — 170 с.

8.                  Энциклопедия полимеров [Текст] — М.: Советская энциклопедия, 1972. — Т.1. — 1224 с.

Основные термины (генерируются автоматически): зависимость энергии, керосин, концентрация компонентов, смешение компонентов, свободная энергия системы, растворение каучука, расплав серы, параметр растворимости, качество аппретов, элементарное звено полимера.


Ключевые слова

сера, серный композит, аппрет, синтетический каучук, энергия Гиббса.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос