Развитие производства полимеров и композитов в современных экономических условиях требует создания полимерных материалов с высоким комплексом эксплуатационных свойств на основе доступных и относительно недорогих сырьевых ресурсов, к числу которых относятся базальтовые волокнистые наполнители. В связи с этим целью работы являлось изучение возможности расширения ассортиментного ряда базальтовых волокон (БВ), выпускаемых отечественными производителями и применяемых для получения катионообменных волокнистых материалов (КОВМ).
Для синтеза катионита на основе модифицированной 10%-ной фенольной смолы (ФС) фенолформальдегидной матрицы и термо- и СВЧ-обработанного базальтового волокна использовали БВ разных производителей.
Оценка основных функциональных характеристик и степени отверждения синтезированных КОВМ (табл. 1) показала, что катиониты на основе БВ-2 и БВ-3 производства ОАО «Ивотстекло» характеризуются повышенной статической обменной емкостью (СОЕ) 3,5 и 4,7 мг-экв/г при степенях отверждения 83 и 88% соответственно по сравнению с БВ-1, получаемым на ООО «СЗСМ», у которого СОЕ=2,7 мг-экв/г при степени отверждения 76%.
Таблица 1
Свойства модифицированного КОВМ на основе БВ разных производителей
|
Производитель БВ |
Степень отверждения, % |
Массовая доля влаги, % |
СОЕ*, мг-экв/г |
|
БВ-1 ООО »СЗСМ» (пос. Александровка) |
76% |
39,4 |
2,7 |
|
БВ-2 ОАО »Ивотстекло» (г. Ивот) |
83% |
45,7 |
3,5
|
|
БВ-3 ОАО »Ивотстекло» (г. Ивот) после длительного хранения |
88% |
35,1 |
4,7 |
СОЕ*— статическая обменная емкость катионита, мг-экв/г.
Из полученных экспериментальных данных следует, что лучшими эксплуатационными характеристиками обладает катионит на основе БВ-3 производства «Ивотстекло». Очевидно, это связано с изменением химического состава базальтового волокна в результате длительного хранения в условиях повышенной влажности.
Анализ ИК спектров базальтовых волокон разных производителей (рис. 1) показывает, что партия БВ-1 (кривая 1) отличается от БВ-2 (кривая 2) и БВ-3 (кривая 3) большей интенсивностью пиков в области 3440 см-1, обусловленной валентными колебаниями ОН групп, и в области 1150–1000 см-1, соответствующей валентным колебаниям связи Si-O-Si в цепочечных и ленточных кремнекислородных структурах, и максимумом в области 518 см-1, связанным с деформационными колебаниями кремнекислородных мостиков Si-O-Si. Это, очевидно, определяется различным составом базальтового сырья, используемого для производства волокнистых материалов.
Рис.1. ИК-спектр исследуемых образцов (4000 - 200 см-1):
1 — БВ партия-1, 2 — исходное БВ партия-2, 3 — исходное БВ партия-3.
Таблица 2
Влияние параметров СВЧ обработки БВ на свойства модифицированного ФС КОВМ на основе БВ-2
|
№ п/п |
Продолжительность обработки, с |
Угол наклона образца, 0 |
Степень отверждения, % |
Массовая доля влаги, % |
Статическая обменная емкость, мг-экв/г |
|
1. |
30 |
0 |
81,7 |
41,6 |
3,5 |
|
2. |
30 |
45 |
79,8 |
43,2 |
2,1 |
|
3. |
30 |
90 |
82,3 |
45,1 |
1,9 |
|
4. |
60 |
0 |
81,2 |
42,6 |
2,0 |
|
5. |
60 |
45 |
79,9 |
45,9 |
2,1 |
|
6. |
60 |
90 |
81,6 |
45,2 |
2,0 |
|
Мат-рица |
- |
- |
78,6 |
46,5 |
2,3 |
Для оптимизации функциональных свойств модифицированного фенольной смолой КОВМ на основе термо- и СВЧ-обработанного базальтового волокна партии БВ-2 и БВ-3 проведена отработка параметров СВЧ-модификации базальтового наполнителя, в качестве которых были выбраны продолжительность СВЧ обработки 15, 30, 45, 60, 90 с, а также угол наклона образца 00, 450, 900 ,влияющие на основные характеристики КОВМ, такие как степень отверждения, массовая доля влаги и статическая обменная емкость КОВМ (табл. 2– 3).
Таблица 3
Влияние параметров СВЧ обработки БВ на свойства модифицированного ФС КОВМ на основе БВ-3
|
№ п/п |
Продолжительность обработки, сек |
Угол наклона образца, 0 |
Степень Отверждения, % |
Массовая доля влаги, % |
Статическая обменная емкость, мг-экв/г |
Окисляемость фильтрата, мг/г |
|
1. |
15 |
0 |
88,0 |
30,8 |
4,0 |
0,6 |
|
2. |
15 |
45 |
87,7 |
30,9 |
4,1 |
0,8 |
|
3. |
15 |
90 |
84,6 |
30,7 |
3,5 |
0,7 |
|
4. |
45 |
0 |
88,2 |
30,3 |
3,3 |
0,8 |
|
5. |
45 |
45 |
86,5 |
32,5 |
4,2 |
0,9 |
|
6. |
45 |
90 |
88,8 |
33,6 |
3,7 |
0,6 |
|
7. |
90 |
0 |
88,8 |
34,8 |
4,0 |
0,7 |
|
8. |
90 |
45 |
85,7 |
35,1 |
4,5 |
0,7 |
|
9. |
90 |
90 |
87,9 |
34,3 |
4,7 |
0,9 |
|
Матрица |
- |
- |
78,6 |
46,5 |
2,3 |
1,2 |
Полученные результаты (табл. 2, 3) подтвердили эффективность СВЧ-обработки базальтового волокна и позволили выбрать оптимальные режимы его модификации.
В работах [1, 2, 4, 5] показано, что термо- и СВЧ-обработка химических, в том числе базальтовых, волокон влияет на состав и структурные характеристики модифицированного волокнистого наполнителя. В связи с этим для оценки изменений химического состава базальтового волокна использовали метод инфракрасной спектроскопии (рис. 2).
Рис. 2. Результаты ИК спектроскопии по составу базальтовых волокон разных производителей исходных и прошедших термо- и СВЧ-обработку:
1 — исходное БВ партия-3, 2 – термо- и СВЧ- обработанное БВ партия-3;
3 — исходное БВ партия-2, 4 — термо- и СВЧ-обработанное БВ партия-2; 5 — исходное БВ партия-1, 6 — термо- и СВЧ-обработанное БВ партия-1
Анализ приведенных данных позволяет сделать вывод о том, что базальтовые волокна партий БВ-2 и БВ-3 обладают большей реакционной способностью по сравнению с волокном БВ-1. Кроме того, сравнение ИК-спектров исследуемых волокон подтверждает, что в базальтовом волокне БВ-3, хранящемся длительное время в условиях повышенной влажности (кривая 3), произошли изменения химического состава, приводящие к снижению интенсивности пиков в областях, характеризующих основные функциональные группы базальтовых волокон, по сравнению с БВ-2 (кривая 2). Очевидно, изменение химического состава БВ-3 повышает его реакционную способность и обеспечивает повышение СОЕ в композите на его основе до 4,7 мг-экв/г (табл. 1).
Таким образом, оценка ИК-спектров термо- и СВЧ-обработанных БВ разных производителей свидетельствует о том, что, так же как и для немодифицированных базальтовых волокон, наибольшей реакционной способностью обладает БВ-3 производства «Ивотстекло» после длительного хранения.
Сравнительная оценка разработанных КОВМ с аналогом КУ-1 (табл. 4) по основным характеристикам катионитов подтверждает их конкурентоспособность с промышленной катионообменной смолой.
Таблица 4
Эксплуатационные характеристики модифицированных композиционных катионитов на основе базальтовых волокон разных производителей
|
Свойства
Состав композита |
Плотность, г/см3 |
Массовая доля влаги, % |
Удельный объем ионита в Н-форме, см3/г |
Полная статическая обменная емкость, мг-экв/г |
Динамическая обменная емкость, мголь/дм3 |
Окисляемость фильтрата, мг/г, не более |
Осмотическая стабильность, % |
Степень отверждения, % |
|
КУ-1 [3] |
1,25÷ 1,38 |
45-55 |
3,2 |
1,3 |
565 |
Не более 1,8 |
Не менее 92 |
78 |
|
КОВМ на основе термо- и СВЧ-обрабо-танного БВ-1 |
1,41 |
45,8 |
4,0 |
2,7 |
920 |
1,8 |
99,0 |
72 |
|
КОВМ+10%ФС на основе термо- и СВЧ-обработан-ного БВ-2 |
1,53 |
41,6 |
4,3 |
3,5 |
900 |
0,8 |
98 |
81,7 |
|
КОВМ+10%ФС на основе термо- и СВЧ-обработан-ного БВ-3 |
1,78 |
34,3 |
3,0 |
4,7 |
975 |
0,7 |
99 |
88 |
Выводы
-
Установлено, что функциональные свойства катионитов, синтезированных на основе термо- и СВЧ-обработанных базальтовых волокон, определяются химическим составом наполнителя и технологией его получения.
-
Определены оптимальные параметры СВЧ-обработки базальтовых волокон.
-
Показано, что разработанный катионит характеризуется: статической обменной емкостью — 4,7 мг-экв/г, массовой долей влаги — 34,4%, динамической обменной емкостью — 975моль/дм3.
Рецензенты:
Гороховский А.В., д.х.н., проф., зав. каф. ХИМ, декан ФТФ, руководитель ОНН 02В, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», Саратов;
Арзамасцев С.В., д.т.н., доцент, декан технологического факультета, Энгельсский технологический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университета имени Гагарина Ю.А.», г. Энгельс.