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.
Библиографическая ссылка
Варюхин В.В., Розов Р.М., Устинова Т.П., Арзамасцев В.С. СОЗДАНИЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ КАТИОНИТОВ НА ОСНОВЕ БАЗАЛЬТОВОГО ВОЛОКНИСТОГО НАПОЛНИТЕЛЯ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 1-1. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=18962 (дата обращения: 15.10.2024).