автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.06, диссертация на тему:Модифицированные композиционные материалы на основе силиката натрия

1. Введение

2. Литературный обзор

2.1. Растворимое жидкое стекло

2.1.1. Общая характеристика

2.1.2. Классификация жидких стекол

2.2. Применение жидких стекол

2.2.1. Применение ЖС в строительстве

2.2.2. Применение ЖС в других отраслях

2.3. Общие положения о восстановлении разрушенных материалов

2.4. Применяемые способы и составы

2.5. Исследования жидкостекольных смесей

2.5.1. Взаимодействие с углекислым газом

2.5.2. Влияние солей на конденсацию силиката натрия

2.5.3. Возможный механизм уплотнения ЖСС

2.6. Общая характеристика решеточных теорий.

Теория свободного объема

3. Выбор факторов и откликов эксперимента

4. Экспериментальная часть

4.1. Методика изготовления и испытаний компози ционных материалов на основе силиката натрия

4.2. Методика определения плотности

4.3. Методика определения вязкости

4.4. Характеристики фурфурилового спирта

4.4.1. Физические характеристики

4.4.2. Термохимические характеристики

4.4.3. Химические свойства

4.5. Методика изготовления и испытаний компози ционных материалов на основе гипсовых вяжущих

5. Анализ результатов

5.1. Основные факторы, влияющие на поликонденсацию силиката натрия

5.2. Модификация силиката натрия фурфуриловым спиртом

5.3. Оценка эффективности модификатора ФОЩ

6. Выводы

Современные области применения жидких стекол в промышленности и строительстве обширны. Они охватывают машиностроение (связующие для литейных формовочных смесей и противопригарных красок), целлюлозно-бумажную промышленность (пропитка бумажной массы, склеивание), производство жароупорных материалов (растворы и бетоны), кислотоупорных материалов, катализаторов, цеолитов, силикагеля, белой сажи, синтетических моющих средств, производство электросварочных материалов (штучных сварочных электродов и керамических флюсов), силикатных лакокрасочных материалов, приготовление инъекционных составов для укрепления грунтов при строительстве, в частности, способом силикатизации, причем важность последней задачи не требует пояснений, особенно учитывая катастрофическое положение в центре Москвы (ул. Малая Дмитровка) и в районах, прилегающих к Москва реке, а также в Санкт-Петербурге (Кировско-Выборгская линия метрополитена) и в других городах.

Силикатизация грунтов — наиболее распространенный способ химического закрепления, применяемый в городе Москва. Однако используемые в настоящее время способы силикатизации имеют ряд недостатков, в частности, обеспечивают закрепление лишь на время проведения строительных или ремонтных работ, а из-за трудноучитываемых параметров агрессивного воздействия на грунты внешней среды (мороз плюс соли для борьбы с гололедом, подземные водные потоки и др.), а также технологических факторов; значения прочности закрепляемых грунтов не только сравнительно низки, но и подвержены сильным колебаниям (анизотропности) из-за неравномерности распределения связующего (силиката натрия) в объеме закрепляемого грунта.

Целью настоящей диссертации явилось установление факторов, влияющих на процесс отверждения углекислым газом композитов на основе силиката натрия для управления этим процессом и получения высокоэффективных композиционных материалов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Выявление наиболее значимых факторов, влияющих на скорость процесса отверждения силиката натрия в высоконаполненных композициях и на формирование полимерной матрицы, структура которой должна была бы обеспечивать высокие прочностные свойства композитов.

2. Изучение влияния выявленных факторов на прочность композитов для установления оптимального соотношения исходных компонентов.

3. Осуществление на основе найденных закономерностей эффективной технологии применения разработанного оптимального состава полимерной матрицы.

4. Оценка некоторых свойств композиций на основе разработанной полимерной матрицы в различных условиях эксплуатации.

Проведенные исследования показали значительный эффект от природы применяемых модификаторов - органических солей и модификатора ФОЩ на пространственную ориентацию силоксановых цепей формирующейся полимерной матрицы на основе силиката натрия.

В рамках регрессионного анализа проведено подробное исследование влияния содержания NaOH и фурилового спирта в составе разработанного модификатора на прочность композитов на основе силиката натрия и Si02. Получена статистически эффективная математическая модель, на основании которой установлены оптимальные соотношения исследованных факторов.

Проведена оценка некоторых свойств композиционных материалов на основе разработанной полимерной матрицы и Si02 и ZrSi04 - наполнителей и установлена их перспективность для широкого применения в промышленности.

По результатам проведенных исследований РХТУ им. Д.И. Менделеева разработаны составы и химическая технология закрепления грунтов способом газовой силикатизации.

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

6. выводы

1. Исследовано влияние натриевых и калиевых солей органических и неорганических кислот и других модификаторов жидкого стекла на прочностные показатели композитов на его основе. Установлена статистически эффективная взаимосвязь между параметром, характеризующим свободный объем водных растворов солей-модификаторов и прочностью исследованных композитов. Наибольшую эффективность при модифицировании жидкостекольных связующих показал продукт ФОЩ.

2. В рамках регрессионного анализа проведено подробное исследование влияния соотношения NaOH и фурилового спирта в ФОЩ на прочность композитов на основе жидкого стекла и Si02 Получена статистически эффективная математическая модель, на основании которой установлено оптимальное соотношение компонентов и количество ФОЩ в жидком стекле, позволяющее увеличить прочность композитов не менее чем в 15 раз.

3. Проведенные методами ПМР-спектроскопии исследования реакции образования модификатора ФОЩ - продукта обработки фурфурилового спирта твердым гидроксидом натрия, показали, что в ходе протекающей реакции не происходит изменений в фурановом цикле, а, возможно, наблюдается образование ассоциатов с участием молекул спирта, щелочи и алкоголя га натрия.

4. Показана высокая эффективность модификатора ФОЩ, который позволил понизить количество жидкостекольного связующего в исследованных композитах с 6 до Змасс. ч. на ЮОмасс.ч. песка без потерь в прочности, тем самым уменьшить анизотропию свойств закрепленных грунтов при проведении газовой силикатизации на основе модифицированного жидкого стекла. Проведена оценка некоторых свойств композитов на основе модифицированной полимерной матрицы с наполнителями Si02 и ZrSiC>4.

5. Показано, что применение дополнительной операции термозакалки композитов дает резкий прирост прочности композитов, а с добавлением активных наполнителей, например циркона (ZrSi04j, прочностные показатели будут еще выше. Установлена перспективность их широкого практического использования.

6. Установлено, что при введении в гипсовое связующее 1масс.% ЖС, модифицированного ФОЩ, прочность композитов на основе указанного связующего повышается более чем в 2 раза.

7. По результатам проведенных исследований разработаны составы и химическая технология закрепления грунтов способом газовой силикатизации, которые могут быть реализованы на стандартном оборудовании, позволяя добиться изотропности значений прочности в различных частях грунтового массива и обеспечивая долговременное закрепление в условиях эксплуатации. Разработаны составы, химическая технология и техническия документация для проведения ремонтных работ в городе Москве.

1. Christophlienk P. Glasstechn. Вег., 1985, 85, #11, s. 308-314.

2. Айлер Р. Химия кремнезема. В 2 т. М.:Мир. 1982.-567с.

3. FriedemannW.//Glasstechn. Вег. 1985, 58, #11, s. 315-319.

4. Vail S.G. Soluble Silicates. New York. 1952. V. 1,2.

5. Григорьев П.Н., Матвеев M.A. Растворимое стекло. M.: Промстройиздат.1956.-236с.

6. Weldes Н.Н., Lange K.R. Ind. Eng. Chem. 1969. V. 61, #4.

7. Перспективы применения полимербетонов и бетонополимеров в строительстве. Сб. тезисов/НТО Стройиндустрии. М. 1976. -32с.

8. Concrete-polymer materials. Brookhaven National Laboratory, Topical Reports, I-V, NY, 1968-1973.

9. Антоновский В.Jl. Органические перекисные инициаторы. М.:Химия. 1972.-211с.

10. Ю.Лясс A.M. Быстротвердеющие формовочные смеси. М.: Госстройиздат, 1969.-158с.

11. Petrzela L. Chemichy tvrzena formovaci smesi. Hutnicke Listy, 1957, #10, 11.

12. Petrzela L. Beitrag zur Theoric der chemisch geherteten Formsande (CO2-verfanzen). 24 International Glesserei Kongress, Stockholm, 1957.

13. Petrzela L. Teoric chemickytorzenych formavacich latek. Shevarenster, #5, 1958.

14. Bohmer C. Betrag zur Theoric Wasserglass Form Verfahrene. B.D. 3, #1,2,3,1957.

15. Неймарк И.Е. и др. Скорость коагуляции золя кремневой кислоты и структура сухого кремнегеля. Коллоидный журнал. 1958. т. 18. №1.с.32-35.

16. Atterton D. What You should understand about carbon dioxide process. Foundry trade Journal, 1957, vol. 85, #6.

17. Graver W. The CO2 process. Journal of Research and Development, #6,7, 1956.

18. Nield F., Epstein D. Application of Sodiun Silicate for bounding sands. Foundry Trade Journal, 1958, vol. 103, #21.

19. Lange E., Morey R. Sodium Silicate for C02 process. Modem Coatings, 1958, vol. 34, #1.

20. Leohorol J. Bases du procidi C02. La Fonde zu Beige, #6, 1958.21 .Wuff C. Is C02 necessary? Modern Coatings #2, 1958.

21. Кумашин И.Б., Лясс A.M. Быстротвердеющие смеси для скоростного изготовления стержней и форм. М.: Литейное производство. №1. 1959. С.18-24.

22. Кумашин И.Б., Лясс A.M. Быстротвердеющие смеси для скоростного изготовления стержней и форм. М.: Литейное производство. №2. 1959.с.15-17.

23. Лясс A.M. Теоретические основы процессов формирования прочности смесей с жидким стеклом. Вопросы теории литейных процессов. М.: Машгиз, 1960. -214с.

24. Григорьев П.И., Матвеев М.А. Растворимое стекло. М.: Промстройиздат, 1956. -236 с.

25. Берестнева З.Я., Каргин В.А. О механизме образования коллоидных частиц. Успехи химии. 1956. т. 25. вып. 6. с. 108-119.

26. Айлер Р.К. Химия кремнезема. М.: Мир. 1982. т. 1. 312с.

27. Неймарк И.Е. Силикагель. Свойства, применение и методы получения. Успехи химии. 1956. т. 25. вып. 6. с .121-134.

28. Дисигин О.М., Киселев А.В., Неймарк И.Б. Эталонный ряд силикагелей и их структура. Журнал физической химии. 1954. т. 28. вып. 10. с. 17-22.

29. Берг П.П., Иванов Н.Х. Химизм твердения жидкостекольных смесей. Литейное производство. №2. 1967. с. 29-33.

30. ЗЕРемисин И.П. Исследование и разработка процесса упрочнения жидкостекольных смесей углекислым газом с использованием предварительного разряжения. Канд. дис. М. 1969.

31. BradyA.P., Brown A.E., Huff H. J. Colloid. Sci. 8, 256, 1959.

32. Baxter S., Bryant K.C. J. Colloid. Sci. 8, 256, 1959.

33. Her R.K. in G. Bendz and I. Lindqvist, Eds., Biochemistry of Silicon and Related Problems, Plenum Press, New York, 1977, p. 58.

34. Iler R.K., J. Phys. Chem., 56, 680 (1952).

35. Айлер P.К. Коллоидная химия кремнезема и силикатов. Пер. с англ. М.: Госстройиздат. 1959. -408с.

36. Матвеев М.А. Растворимость стеклообразных силикатов натрия. М.: Промстройиздат. 1957. 108с.

37. Григорьев П.Н. Сильвестрович С.И. О высококислотоупорном материале для химической промышленности. М.: Химическая промышленность, 1930. №31-33.

38. Лагутин И.И. Взаимодействие между компонентами кислотоупорной замазки (цемента). М.: Химстрой. 1934. №3. с.15-18.

39. Москвин В.М. кислотоупорный бетон. М.-Л.: ОНТИ НКТП СССР. 1935. -120с.

40. Матвеев М.А., Агарков А.С. Клеящие свойства водных растворов щелоч-но-силикатных стекол. Труды МХТИ им. Д.И. Менделеева, вып. 46, 1964.

41. Поляков К.А., Сломянская Ф.Б., Полякова К.К. Коррозия и химически стойкие материалы. М.-Л.: Госхимиздат. 1968. 205с.

42. Жилин А.И. Растворимое стекло, его свойства, получение и применение. Свердловск-Москва. ГОНТИ СССР. 1939. -256с.

43. Матвеев М.А. Растворимость гранулированных силикатов. -В кн. Сборник научных трудов по стеклу. М.: Промстройиздат. 1951. с.58-61

44. Руцков А.П. Краткий курс коллоидной химии. Л.: Госхимиздат. 1958. -358с.

45. Герасимов Я.И., Древинг В.П. и др. Курс физической химии. Под ред. Я. И. Герасимова, М.-Л.: Химия. 1964. т. 1.-567с.

46. Голдинг Б. Химия и технология полимерных материалов (пер. с англ.). М.:Изд.Иностранной Лит-ры. 1963. -564с.

47. Dunlop A., Peters F. The furans, NY, 1953.

48. Лосев И.П., Тростянская Е.Б. Химия синтетических полимеров. М.: Химия. 196-1.-112с.

49. Хувинк М., Ставерман А. Химия и технология полимеров (пер. с нем.). М.-Л.:Химия. 1966. -415с.

50. Далматов В.Я., Ким И.П. Промышленное строительство. 1969. №4.с.21-26.

51. Смирнова Н.А. Молекулярные теории растворов. Л.: Химия. 1987. -336с.

52. Смирнова Н.А.//Физическая химия: Современные проблемы/Под ред. Я.М. Колотыркина. М.: Химия, 1984. Кн. 4. С. 6-40.

53. Barker J.A. Lattice theories of liquid state. Oxford etc.:Pergamon Press, 1963. 134p.

54. Методика определения силикатного модуля. Труды ЦНИИТМАШ. №78, 1978.

55. Шрайнер Р., Фьюзон Р., Кертин Д., Моррилл Т. Идентификация органических соединений. Пер. с англ. М.: Мир, 1983.-712с.

56. Физические методы органической химии. Под ред. А. Вайсберга. Пер. с англ. М.: Изд.Иностранной Лит-ры. 1950. -414с.

57. Матьякубов P.M. Синтез и исследование свойств синтетических связующих на основе фурфурилового спирта. /Химическая промышленность. Серия "Производство и переработка пластмасс". М. 1991. с.28-36

58. Бекбулатов И.А., Варламов Г.Д. Фурфуриловый спирт исходное сырье для синтеза связующих. /Обзорная информация. Серия "Производство и переработка пластмасс и синтетических смол". М., НИИТЭХИМ. 1986.-46с.