Исследование химической стойкости серных композитов на кварцевой муке | Статья в журнале «Молодой ученый»

Авторы: ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №11 (91) июнь-1 2015 г.

Дата публикации: 25.05.2015

Статья просмотрена: 53 раза

Библиографическое описание:

Сидорова О. Г., Шитова И. Ю. Исследование химической стойкости серных композитов на кварцевой муке // Молодой ученый. — 2015. — №11. — С. 428-430. — URL https://moluch.ru/archive/91/19306/ (дата обращения: 27.05.2018).

В работе представлены результаты исследований химической стойкости серных композитов на аппретированной кварцевой муке. Показано, что аппретирование кварцевого наполнителя каучуком позволяет значительно повысить (до 50 %) химическую стойкость таких материалов.

Ключевые слова: серные композиты, кварцевая мука, кварцевый наполнитель, аппрет, химическая стойкость.

 

Многочисленными исследователями установлено, что стойкость серных материалов в различных агрессивных средах зависит от глубины её проникновения в структуру материала [1].

Известно, что серные композиты, изготовленные на кварцевой муке, имеют высокое водопоглощение и низкий коэффициент водостойкости [2, 3]. Это объясняется тем, что при изготовлении образцов (температура 150…160 оС) происходит взаимодействие серы с кварцевым наполнителем, в результате чего образуется дисульфид кремния SiS2, который разлагается водой и особенно водяным паром с образованием кремнезёма, сероводорода и моносульфида (SiS)n [4]. Кроме того, образцы на кварцевой муке в процессе испытаний чернеют. Это явление авторы работы [2] объясняют взаимодействием образовавшегося сероводорода с входящим в состав кварцевого песка оксидом железа, а также разложением оксида кремния с выделением графитообразного кремния черного цвета, что и приводит к потемнению образцов.

В данной работе испытанию были подвергнуты серные композиты на кварцевой муке с удельной поверхностью 180 м2/кг и кварцевой муке, обработанной раствором аппрета (каучук марки СКДН-Н) различной концентрации и подвергшиеся изотермической выдержке в течение 0…3 ч.

Проведенные исследования показывают, что на величину водопоглощения серных композитов на аппретированном кварцевом наполнителе значительное влияние имеют концентрация аппрета и продолжительность изотермической выдержки. Кинетика водопоглощения таких материалов имеет классический вид и описывается функцией вида:

,                                                                                                      (1)

где a, b — эмпирические коэффициенты, значения которых приведены в табл. 1.

Необходимо отметить, что процесс водопоглощения образцов, подвергшихся изотермической выдержке, практически прекращается через 30 суток экспозиции их в воде. При прочих равных условиях аппретирование поверхности наполнителя способствует снижению величины водопоглощения в 4…7 раз (до 0,17 %).

Таблица 1

Значения эмпирических коэффициентов уравнения (1)

Концентрация раствора аппрета , % от массы серы

Продолжительность изотермической выдержки tТ, ч

Коэффициенты

a

b

0

0

1,773

0,059

1

1,266

0,052

2

0,956

0,045

3

0,842

0,044

0,2

0

1,043

0,045

1

0,902

0,045

2

0,760

0,040

3

0,510

0,038

0,6

0

0,900

0,034

1

0,915

0,034

2

0,352

0,034

3

0,259

0,033

1,0

0

0,902

0,03

1

0,952

0,034

2

0,221

0,024

3

0,159

0,020

 

Химическую стойкость серных композитов определяли по изменению прочности после 180 суток экспозиции образцов в агрессивной среде. Результаты исследований приведены в табл. 2.

Таблица 2

Химическая стойкость коррозионно-стойких серных композитов

Сап, %

tТ, ч

Коэффициент химической стойкости после 180 суток экспозиции

вода

азотная кислота

соляная кислота

серная кислота

хлорид натрия

сульфат магния

бензин

дизельное топливо

0

0

0,62

0,64

0,70

0,80

0,70

0,70

0,80

0,76

1

0,77

0,72

0,83

0,89

0,89

0,79

0,81

0,80

2

0,77

0,75

0,85

0,95

0,94

0,85

0,84

0,81

3

0,89

0,79

0,95

0,96

1,00

0,90

1,00

0,82

0,2

0

0,79

0,78

0,80

0,86

0,82

0,79

0,79

0,89

1

0,69

0,70

0,74

0,69

0,72

0,77

0,77

0,85

2

0,95

0,80

0,95

0,90

0,91

0,96

0,83

0,91

3

0,98

0,88

0,97

0,90

1,00

1,00

0,85

0,99

0,6

0

0,90

0,80

0,82

0,85

0,82

0,92

0,80

0,93

1

0,82

0,66

0,55

0,69

0,68

0,86

0,74

0,84

2

0,96

0,90

0,95

0,90

1,00

1,11

0,88

0,94

3

1,00

0,99

1,11

0,98

1,28

1,30

1,00

0,96

1,0

0

0,76

0,76

0,93

0,95

0,84

0,82

0,90

0,92

1

0,70

0,70

0,61

0,79

0,83

0,75

0,80

0,90

2

0,96

0,93

1,20

1,08

1,26

1,00

0,98

0,98

3

0,97

0,94

1,35

1,13

1,00

0,90

1,00

1,00

 

Анализ табл. 2 показывает, что стойкость серных композитов в различных агрессиях зависит как от концентрации аппрета, так и продолжительности изотермической выдержки.

Образцы на кварцевой муке без аппрета имеют низкий коэффициент водостойкости, что объясняется разложением и вымыванием водорастворимых сульфидов кремния. Также снижение прочности наблюдается у серных композитов на кварцевой муке с аппретирующим материалом, которые были изготовлены сразу же после смешивания наполнителя с расплавом серы и у образцов, подвергшихся 1 ч изотермической обработке. Очевидно, это связано с достаточно высокой их пористостью (из-за интенсивного выделения газообразных продуктов вулканизации, которые не успевают удалиться из смеси; с увеличением продолжительности изотермической выдержки газообразные продукты реакции диффундируют из смеси, что приводит к закономерному повышению средней плотности) и отсутствием слоя вулканизата на частицах кварцевой муки.

Высокую водостойкость композитов, подвергшихся 2-х и 3-х ч изотермической выдержке, можно объяснить следующим образом. При обработке кварцевой муки аппретирующим материалом, в частности каучуком, происходит блокировка поверхности наполнителя. Каучуки в расплаве серы вулканизируются с образованием непроницаемой для серы оболочки вулканизата, которая предотвращает её химическое взаимодействие с дисперсной фазой и препятствует образованию растворимых соединений.

Азотная кислота оказывает более агрессивное воздействие по сравнению с соляной и серной. Снижение прочности у образцов на кварцевом наполнителе, необработанном аппретом, можно объяснить взаимодействием серы и сульфидов кремния с азотной кислотой с образованием растворимого моносульфида кремния SiS и газообразных продуктов NO2 и SO2:

S + 4HNO3 → SO2↑ + 4NO2↑ + 2H2O;

SiS2 + 2HNO3 → SiS + 2NO2↑ + SO2↑ + H2O.

Снижение прочности наблюдается и у образцов на аппретированной кварцевой муке. Это можно объяснить взаимодействием только серы с азотной кислотой, которая является наиболее сильным окислителем из всех исследуемых неорганических кислот.

Серная и соляная кислоты также оказывают агрессивное действие на композиты, изготовленные на необработанном кварцевом наполнителе, что очевидно связано с взаимодействием сульфидов кремния с предлагаемыми кислотами:

SiS2 + H2SO4 → SiS + SO2↑ + H2O;

SiS2 + 4HCl → SiCl4 + 2H2S↑.

Следует отметить некоторое повышение прочности (на 10…30 %) при действии растворов соляной и серной кислот у композитов на аппретированной кварцевой муке и подвергшихся изотермической выдержке 2…3 часа. На наш взгляд, это объясняется тем, что при действии растворов соляной и серной кислот процессы окисления серы происходят с меньшей скоростью или практически отсутствуют. Кроме того, указанные кислоты могут способствовать процессам окисления и изомеризации каучуков и их производных с образованием на поверхности вулканизата слоя продуктов хлорирования и сульфирования.

Повышение прочности при воздействии хлорида натрия и сульфата магния (как и в случае повышения прочности при действии соляной и серной кислот) объясняется происходящими процессами хлорирования и сульфирования.

Бензин и дизельное топливо являются активными средами по отношению к исследуемым материалам. Очевидно, это связано с частичным растворением серы в нефтепродуктах и растворителях [1].

Таким образом, серные композиты, изготовленные на кварцевой муке, обработанной высококонцентрированными растворами аппрета и подвергшиеся изотермической выдержке в течение 2…3 ч, обладают практически универсальной стойкостью.

 

Литература:

 

1.                  Волгушев А. Н. Производство и применение серных бетонов [Текст] / А. Н. Волгушев, Н. Ф. Шестеркина. — М.: ЦНИИТЭИМС, 1985. — 60 с.

2.                  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.

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

4.                  Черкинский Ю. М. Химия полимерных неорганических вяжущих веществ [Текст] / Ю. М. Черкинский. — Л.: «Химия», 1967–224 с.

Основные термины (генерируются автоматически): кварцевая мука, изотермическая выдержка, химическая стойкость, серная кислота, композит, кварцевый наполнитель, азотная кислота, аппретированная кварцевая мука, снижение прочности, дизельное топливо.


Ключевые слова

аппрет, кварцевый наполнитель, кварцевая мука, серные композиты, химическая стойкость.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос