Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

STRUCTURE FORMATION OF THE NANOMODIFIED SULPHURIS COMPOSITE MATERIALS

Shitova I.Yu. 1 Zangieva O.P. 1
1 Penza State University of the Architecture and Construction
Сера является активным веществом, способным вступать в химические взаимодействия со многими наполнителями с образованием водорастворимых соединений. Для установления химической активности наполнителя, изучения структуры и фазового состава соединений, образующихся на границе раздела фаз «сера—наполнитель» в серных композиционных материалах, в настоящей работе использован метод рентгеноструктурного анализа. С помощью полученных рентгенограмм для серных композитов на молотом кварцевом песке установлено образование на границе раздела водорастворимых сульфидов кремния, которые в процессе эксплуатации разлагаются водой, что существенно ухудшает физико-механические и эксплуатационные свойства материала. Для предотвращения этого процесса целесообразно применять аппретирующие материалы, в качестве которых предлагается использовать жидкие каучуки. Каучуки в расплаве серы (при изготовлении материала) вулканизируются с образованием непроницаемой для серы оболочки вулканизата, которая предотвращает ее химическое взаимодействие с дисперсной фазой, что подтверждается рентгеноструктурным анализом.
Sulfur is the active substance that can enter into chemical interaction with many fillers with the formation of water-soluble compounds. To establish the chemical activity of the filler, the study of the structure and phase composition of the compounds formed at the phase boundary "sulfur-filler" in sulfur composites in this paper, we used the method of x-ray analysis. Using the obtained radiographs for sulfur compounds on hammer quartz sand revealed the formation at the interface of water-soluble sulfides silicon, which during operation are decomposed by water, which significantly impairs physical-mechanical and performance properties of the material. To prevent this process, it is advisable to apply finishing materials, which it is proposed to use liquid rubber. The rubber in the sulfur melt (in the manufacture of the material) are vulcanized with the formation impervious to sulfur shell vulcanizate, which prevents its chemical interaction with the dispersed phase, which is confirmed by x-ray diffraction analysis.
radiograph
sulfur composite
sulfur cement
quartz sand
appret
brushed quartz flour

Сера является типичным кристаллическим веществом, структура и фазовый состав которого зависят от рецептуры и технологического регламента изготовления материала. Для изучения влияния рецептурно-технологических факторов на строение и дефектность серы целесообразно использовать метод рентгеноструктурного анализа, который позволяет установить химическую активность дисперсной фазы (наполнителя), а также изучить структуру и фазовый состав соединений, образующихся на границе раздела фаз «сера—наполнитель». Рентгенограммы серных мастик снимались на дифрактометре «ДРОН-9» в интервале брегговских углов q=0—35°. Образующиеся в процессе изготовления материала соединения оказывают влияние на процессы формирования структуры композита и его физико-механические и эксплуатационные свойства.

На рисунках 1-3 представлены рентгенограммы ненаполненной серы, кварцевого песка, а также серных мастик, изготовленных на кварцевой муке с удельной поверхностью 180 м2/кг (объемная доля наполнителя, nf, 0,4).

Анализ механизмов взаимодействия кислот и солей, широко применяемых в промышленности, с различными наполнителями показывает, что практически универсальной стойкостью обладает кварц. Термодинамический расчет по уравнению химической реакции:

показывает, что при температуре изготовления серного материала сульфиды кремния не образуются (= +302,3 кДж/моль). Однако сопоставление максимумов рентгенограмм серных мастик, изготовленных на кварцевой муке (рис. 3), с максимумами рентгенограмм серы и кварцевого песка (рис. 1 и 2, табл. 1) указывает на появление новых межплоскостных расстояний при 2,846, 2,501, 2,460, 2,286, 1,983Å (рис. 3). Появление указанных максимумов свидетельствует о протекании химического взаимодействия между серой и кварцевой мукой с образованием растворимых сульфидов кремния. Образование сульфидов кремния можно объяснить тем, что при измельчении поверхность наполнителя активируется, что создает благоприятные предпосылки для образования соединений кремния с серой.

Рис. 1. Рентгенограмма серы

Рис. 2. Рентгенограмма кварцевого песка

Рис. 3. Рентгенограмма серной мастики на кварцевой муке с Sуд = 180 м2/кг, nf = 0,4

Таблица 1

Дифракционные характеристики серы и сульфида кремния

Сера

Сульфид кремния SiS2

Сингонии

Сингонии

ромбическая (a)

моноклинная (b)

ромбическая

тетрагональная

d, Å

I,%

d, Å

I,%

d, Å

I,%

d, Å

I,%

d, Å

I,%

d, Å

I,%

7,690

6

2,424

14

6,650

25

1,708

2

4,860

100

4,610

75

5,760

14

2,375

4

6,630

4

1,679

2

3,050

88

2,880

100

5,680

6

2,366

4

4,410

6

1,635

6

2,770

15

2,710

40

4,800

2

2,288

6

3,790

14

1,599

2

2,420

15

2,550

20

4,190

2

2,146

4

3,740

20

1,567

4

2,400

15

2,340

30

4,060

12

2,112

10

3,290

100

1,452

18

1,970

20

2,170

20

3,910

12

1,988

4

3,100

10

1,432

4

1,640

5

1,920

60

3,850

100

1,900

8

3,040

12

 

 

1,520

5

1,850

40

3,570

8

1,823

4

3,000

4

 

 

1,380

5

1,690

80

3,440

40

1,781

12

2,600

2

 

 

1,330

5

1,650

5

3,380

4

1,754

8

2,490

8

 

 

 

 

1,610

70

3,330

25

1,725

8

2,460

6

 

 

 

 

1,530

15

3,210

60

1,698

8

2,440

4

 

 

 

 

 

 

Предотвратить образование растворимых сульфидов при изготовлении серных композитов возможно аппретированием поверхности химически активных наполнителей жидкими каучуками. Каучуки в расплаве серы вулканизируются с образованием непроницаемой для серы оболочки вулканизата (резин, эбонита), которая предотвращает ее химическое взаимодействие с дисперсной фазой. На рисунках 4, 5 представлены рентгенограммы серных мастик, изготовленных на кварцевой муке, обработанной 10%- и 20%-ным раствором каучука марки СКДН-Н в керосине. Сравнение межплоскостных расстояний рисунков 4, 5 с данными рисунков 1-3 и межплоскостными расстояниями для различных модификаций серы (табл. 1) показывает, что на рентгенограммах рисунках 4, 5 наблюдаются только максимумы, соответствующие сере и кварцевому песку; рефлексы, принадлежащие сульфидам кремния, не идентифицированы.

Из рентгенограмм серных композитов на кварцевом наполнителе (рис. 3-5) видно, что наиболее интенсивные максимумы располагаются в диапазоне брегговских углов q=13,35–13,55°. Эти максимумы соответствуют 25%-ной линии α-серы и 100%-ной линии β-серы, что свидетельствует об образовании двух ее основных кристаллических модификаций. Анализ представленных рентгенограмм показывает также, что наблюдается смещение основных максимумов α-модификации серы в область больших углов, а β-модификации – меньших углов. Это указывает на кристаллизацию α-серы в стесненных условиях и на внедрение в кристаллы β-серы других атомов.

Рис. 4. Рентгенограмма серной мастики на аппретированной кварцевой муке с Sуд = 180 м2/кг, обработанной 10%-ным раствором аппрета

(продолжительность изотермической выдержки – 2 ч)

Рис. 5. Рентгенограмма серной мастики на аппретированной кварцевой муке с Sуд = 180 м2/кг, обработанной 20%-ным раствором аппрета

(продолжительность изотермической выдержки – 1 ч)

Таким образом, введение кварцевого наполнителя приводит к изменению кристаллической структуры серы: наблюдается образование двух аллотропических модификаций серы, которые кристаллизуются в неравновесных условиях. Между кварцевым наполнителем и серой протекают химические реакции с образованием водорастворимых сульфидов кремния. Обработка поверхности частиц наполнителя каучуком обеспечивает формирование слоя вулканизата, который предотвращает протекание указанных реакций на границе раздела фаз «сера–наполнитель».

Рецензенты:

Логанина В.И., д.т.н., профессор, заведующая кафедрой «Управление качеством и технологии строительного производства» Пензенского Государственного университета архитектуры и строительства, г. Пенза;

Калашников В.И., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Технология строительных материалов и деревообработки» Пензенского Государственного университета архитектуры и строительства, г. Пенза.