Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ В НАНОМОДИФИЦИРОВАННЫХ СЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ

Шитова И.Ю. 1 Зангиева О.П. 1
1 ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»
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.
рентгенограмма
серный композит
серная мастика
кварцевый песок
апперт
аппретированная кварцевая мука
1. Евстифеева И.Ю. Повышение коррозионной стойкости серных композитов на химически активных наполнителях [Текст] / Е.В. Королев, С.И. Егорев // Материалы всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: Теория и практика повышения эффективности строительных материалов. – Пенза: ПГУАС, 2006. – С. 73–78.
2. Королев Е.В. Радиационно-защитные и корозионностойкие серные строительные материалы [Текст] / А.П. Прошин, Ю.М. Баженов, Ю.А. Соколова. – М.: Палеотип, 2006. – 464 с.
3. Прошин А.П. Строительные материалы на основе серы [Текст] / Е.В. Королев, В.Т. Ерофеев, В.М. Хрулев, В.В. Горетый. – Пенза: ПГУАС; Саранск: МГУ им. Огарева, 2003. – 372 с.
4. Черкинский Ю.М. Химия полимерных неорганических вяжущих веществ [Текст] / Ю.М. Черкинский. – Л.: Химия, 1967 – 224 с.
5. Яушева Л.С. Серобетоны каркасой структуры [Текст] / Л.С. Яушева. – Саранск, 1998. – 170 с.

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.


Библиографическая ссылка

Шитова И.Ю., Зангиева О.П. СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ В НАНОМОДИФИЦИРОВАННЫХ СЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 1-1. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=17709 (дата обращения: 20.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074