Изменение поверхности глин с целью привития частиц другой природы

Лымарь Е.А.

12. Володченко, А.Н. Автоклавные силикатные материалы на основе отходов горнодобывающей промышленности / А.Н. Володченко // Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. - 2012. - Т. 47.

- № 4. - С. 29-32.

13. Володченко, А.Н. Влияние песчано-глинистых пород на оптимизацию микроструктуры автоклавных силикатных материалов / А.Н. Володченко // Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. - 2012. - Т. 47. - № 4. - С. 32-36.

14. Володченко, А.Н. Реологические свойства газобетонной смеси на основе нетрадиционного сырья / А.Н. Володченко, В.С. Лесовик // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2012. - № 3. - С. 45-48.

15. Володченко, А.Н. Автоклавные ячеистые бетоны на основе магнезиальных глин / А.Н. Володченко, В.С. Лесовик // Известия вузов. Строительство. - 2012. - № 5. - С. 14-21.

16. Володченко, А.Н. Повышение морозостойкости силикатных материалов на основе нетрадиционного сырья / А.Н. Володченко // Инновации в науке. - 2013. - № 24. - С. 24-30.

17. Володченко, А.Н. Магнезиальные глины - сырье для производтва автоклавных ячеистых бетонов / А.Н. Володченко // Сборник научных трудов SWorld по материалам международной научно-практической конференции. - 2013. - Т. 43. - № 1. - С. 3-

7.

18. Володченко, А.Н. Влияние песчано-глинитых пород на пластичность газобетонной массы / А.Н. Володченко // Сборник научных трудов SWorld по материалам международной научно-практической конференции. - 2013. - Т. 43. - № 1. - С. 7-10.

19. Володченко, А.Н. Влияние глинистых минералов на свойства автоклавных силикатных материалов / А.Н. Володченко // Инновации в науке. - 2013. - № 21. - С. 23-28.

20. Володченко, А.Н. Нетрадиционное сырье для автоклавных силикатных материалов / А.Н. Володченко // Технические науки

- от теории к практике. - 2013. - № 20. - С. 82-88.

21. Володченко, А.А. Влияние наноразмерного сырья на процессы структурообразования в силикатных системах / В.С. Лесовик, В.В. Строкова, А.А. Володченко // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2010. - № 1. - С. 13-17.

22. Лесовик, В.С. Ячеистый бетон с использованием попутно-добываемых пород Архангельской алмазоносной провинции / В.С. Лесовик, А.Н. Володченко, С.И. Алфимов, Р.В. Жуков, В.К. Гаранин // Известия вузов. Строительство. - 2007. - № 2. - С. 1318.

23. Ключникова, Н.В. Влияние пористости на свойства керамометаллических композитов / Н.В. Ключникова // Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. - 2012. - Т. 6. - № 3. - С. 41-45.

24. Klyuchnikova, N.V. The effect of metal filler on structure formation of composite materials / N.V. Klyuchnikova, E.A. Lumar’ // Glass and Ceramics. - 2005. - Т. 62. - № 9-10. - С. 319-320.

25. Klyuchnikova, N.V. Production of metal composite materials / N.V. Klyuchnikova, E.A. Lumar’ // Glass and Ceramics. - 2006. - Т. 63. - № 1-2. - С. 68-69.

26. Klyuchnikova, N.V. Interaction between components at metal composites production / N.V. Klyuchnikova // European Journal of Natural History. - 2007. - № 6. - С. 110-111.

27. Ключникова, Н.В. Исследование физико-механических свойств керамометаллического композита / Н.В. Ключникова // Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. - 2013. - Т. 7. - № 1. - С. 1015.

28. Ключникова, Н.В. Выбор компонентов как важное условие создания композитов с заданными свойствами / Н.В. Ключникова // Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. - 2013. - Т. 43.

- № 1. - С. 16-21.

29. Ключникова, Н.В. Влияние металлического компонента на свойства керамометаллических композитов / Н.В. Ключникова // Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. - 2013. - Т. 39. - № 2. - С. 54

- 60.

30. Ключникова, Н.В. Рентгенофазовый анализ композиционных материалов на основе глин / Н.В. Ключникова // Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. - 2013. - Т. 7. - № 1. - С. 3 - 10.

Лымарь Е.А.

Научный сотрудник, кандидат технических наук, ОАО «Российские космические системы», Москва ИЗМЕНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ГЛИН С ЦЕЛЬЮ ПРИВИТИЯ ЧАСТИЦ ДРУГОЙ ПРИРОДЫ

Аннотация

В работе установлено, что взаимодействие ионов алюминия с поверхностью глин обусловлено как силами электростатического взаимодействия (физическая адсорбция), так и хемосорбцией через гидроксильные группы их поверхности, являющихся основным типом реакционных центров, по которым происходит модифицирование.

Ключевые слова: модификация, активные центры, глины

Lymar E.A

Scientist, candidate of engineering sciences, OJSC "Russian space systems", Moscow CHANGING THE PURPOSE CLAY SURFACE GRAFTED PARTICLES OTHER NATURE

Abstract

The work established that the interaction with the surface of the aluminum ions as clays due to electrostatic interaction forces (physical adsorption) or through chemisorption of a surface hydroxyl group, which are the main type of reactive centers, on which the modification occurs.

Keywords: modification, active centers, clay

Алюминий достаточно легкий металл, обладает высокой электро- и теплопроводностью, пластичен, нетоксичен, коррозионно и химически стоек, обладает уникальной способностью образовывать достаточно прочные сплавы, являясь главным связующим элементом. В керамометаллических композитах частицы алюминия, плавясь во время обжига, действуют как связка, смачивая и соединяя зерна глинистого компонента. Смачивание в композите сопровождается химической реакцией между компонентами (они же являются фазами) с образованием новой фазы в виде нового соединения, обладающего специфическими свойствами, не являющимися просто суммой свойств металла и керамики. Чем лучше происходит смачивание, тем выше качество получаемого композита.

Разработка новых керамометаллических композитов с высоким содержанием алюминия весьма проблематична ввиду низкой активности составляющих (алюминия и глинистой составляющей) по отношению друг к другу, большой разностью линейного коэффициента теплового расширения.

Для успешного применения высокодисперсного глинистого компонента при получении керамометаллического композита, необходимо модифицирование его поверхности для придания новых свойств - способности совмещаться с алюминиевым расплавом.

103

В связи с тем, что поверхность частиц глинистой составляющей имеет большую дефектность появляется возможность достройки их кристаллической структуры с образованием активных центров, на которые впоследствии может быть привит материал другой природы [1 - 22].

Целью модифицирования глинистой составляющей было привитие на поверхности их частиц микрослоя алюминия, для обеспечения однородности совмещения глинистого компонента с расплавом алюминия при разработке керамометаллического композита [23 - 30].

Для модифицирования глинистой составляющей использован раствор хлорида алюминия. Так как ион хлора Cl-1 имеет сравнительно малые размеры, а значит, облегчает гидратацию глинистой составляющей, следовательно, и адсорбцию ионов из водных растворов.

Простейшим вариантом модифицирования является адсорбция ионов алюминия на поверхности минерального носителя. В виду этого, были исследованы адсорбционные характеристики глуховецкого каолина и краснояружской глины по отношению к хлориду алюминия из водных растворов.

Характер изотерм указывает на мономолекулярный характер адсорбции. В изученном интервале концентраций изотермы адсорбции имеют положительный характер, с ростом равновесной концентрации модификатора (ионов Al3+) в растворе до 100 мг/л для глуховецкого каолина и до 160 мг/л для краснояружской глины величина адсорбции резко возрастает, при более высоких концентрациях величина адсорбции возрастает незначительно.

Более высокая адсорбция ионов алюминия из водных растворов отмечена на краснояружской глине: при равновесной концентрации ионов алюминия 160 мг/л в растворе, величина адсорбции (концентрация ионов в монослое) составляет 1,67 мг/г, в то время как при равновесной концентрации ионов алюминия 100 мг/л величина адсорбции на глуховецком каолине составляет 0,98 мг/г. Адсорбция на краснояружской глине выше, чем на глуховецком каолине, что, вероятно, обусловлено более гидроксилированной поверхностью глин, а также ее структурой.

Модифицирование твердой поверхности ионами из водных растворов имеет специфические преимущества, связанные с эффектом ориентации ионов модификатора относительно поверхности сорбента за счет электростатического взаимодействия с заряженными активными центрами этого сорбента (или химического взаимодействия).

Исследование адсорбции модификаторов поверхностью глин имело целью установить механизм взаимодействия адсорбата с адсорбентом.

Методами ИК - спектроскопии на поверхности глин установлено наличие гидроксильных групп, сообщающих поверхности основной характер.

Анализ инфракрасных спектров показал наличие полос у глин в области 3490 -3400 см-1, которые относятся к валентным колебаниям кристаллизационной воды (полоса 3490 см-1), а также ОН-групп и адсорбционной воды (полоса 3400 см-1). Поглощение в области 1050 - 1100 см-1 соответствует колебаниям координационно-связанных с поверхностью молекул воды. Наличие на глинах полосы 1640 см-1 соответствует деформационным колебаниям групп НОН (адсорбционная вода). Кривые спектров в области 408, 483, 570, 675, 790, 920. 970см-1 на глинах идентифицированы как SiO2, Al2O3, TiO2, Fe2O3, CaO, MgO, SO3, K2O.

Причина появления в ИК-спектрах глин нескольких полос, принадлежащих свободным гидроксильным группам поверхности, заключается в том, что кислород ОН-группы находится в контакте с несколькими атомами металла. Атомы металла являются ближайшими соседями ОН-групп, поэтому их число должно оказывать определяющее влияние на частоту колебаний ОН-групп.

Возможность закрепления модификатора на глинистой составляющей преимущественно обусловлена наличием на ее поверхности гидроксильных групп -ОН. Причем основное значение имеют гидроксильные группы на поверхности глин, а не содержащиеся глубоко в структуре. Гидроксильные группы активны и легко вступают в реакции.

Представляет интерес изучение электрокинетических свойств поверхности глинистой составляющей, так как заряд поверхности может оказать влияние на взаимодействие основного минерала и ионами раствора, то есть на их адсорбцию.

Электрокинетический потенциал глин в дистиллированной воде отрицателен и увеличивается при снижении рН среды, переходя из отрицательного значения в положительной при рН ~ 5.

Из кривых (рис. 1), отражающих зависимость Е, - потенциала от концентрации ионов алюминия на поверхности глин, видно, что адсорбция ионов Al3+ вызывает смещение электрокинетического потенциала глинистой составляющей в положительную сторону, увеличивая его с величины -36,5 мВ до -29,2 мВ для глуховецкого каолина и с величины -26,1 мВ до -19,6 мВ для краснояружской глины.

Очевидно, ионы алюминия нейтрализуют поверхностные гидроксильные ионы. Такое смещение Е, - потенциала объясняется электростатическим притяжением ионов А13+ поверхностью глин, в результате чего их плотность в приповерхностном слое увеличивается. При увеличении равновесной концентрации ионов алюминия более 100 мг/л для глуховецкого каолина и 160 мг/л для краснояружской глины наблюдается некоторое смещение Е, - потенциала в отрицательную сторону, что объясняется сжатием двойного электрического слоя, а, также переходом электростатически связанных катионов в хемосорбированные.

Таким образом, точка излома на кривой зависимости Е, = f (Cp) соответствует завершению формирования адсорбционного монослоя ионов алюминия на поверхности глин.

Вышесказанное доказывает, что взаимодействие ионов алюминия с поверхностью глин обусловлено как силами электростатического взаимодействия (физическая адсорбция), так и хемосорбцией через гидроксильные группы их поверхности, являющихся основным типом реакционных центров, по которым происходит модифицирование.

104

Литература

1. Алфимов, С.И. Техногенное сырье для силикатных материалов гидратационного твердения / С.И. Алфимов, Р.В. Жуков,

A. Н. Володченко, Д.В. Юрчук // Современные наукоемкие технологии. - 2006. - № 2. - С. 59-60.

2. Володченко, А.Н. Попутные продукты горнодобывающей промышленности в производстве строительных материалов / А.Н. Володченко, В.С. Лесовик, С.И. Алфимов, Р.В. Жуков // Современные наукоемкие технологии. - 2005. - № 10. - С. 79.

3. Володченко, А.Н. Силикатный бетон на нетрадиционном сырье / А.Н. Володченко, Р.В. Жуков, Ю.В. Фоменко, С.И. Алфимов // Бетон и железобетон. - 2006. - № 6. - С. 16-18.

4. Володченко, А.Н. Регулирование свойств ячеистых силикатных бетонов на основе песчано-глинистых пород / А.Н. Володченко, В.С. Лесовик, С.И. Алфимов, А.А. Володченко // Известия вузов. Строительство. - 2007. - № 10. - С. 4-10.

5. Володченко, А.Н. Повышение эффективности производства автоклавных материалов / А.Н. Володченко, В.С. Лесовик // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2008. - № 9. - С. 10-16.

6. Володченко, А.Н. Влияние механоактивации известково-сапонитового вяжущего на свойства автоклавных силикатных материалов / А.Н. Володченко // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. -2011. - № 3. - С. 13-16.

7. Володченко, А.Н. Влияние состава сырья на пластическую прочность газобетонной смеси / А.Н. Володченко // Сборник научных трудов SWorld по материалам международной научно-практической конференции. - 2013. - Т. 39. - № 2. - С. 45-49.

8. Володченко, А.Н. Глинистые породы в производстве силикатного кирпича / А.Н. Володченко // Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. - 2012. - Т. 26. - № 2. - С. 8-10.

9. Володченко, А.Н. Глинистые породы - сырье для производства автоклавных ячеистых бетонов / А.Н. Володченко // Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. - 2012. - Т. 26. - № 2. - С. 11-14.

10. Володченко, А.Н. Взаимодействие мономинеральных глин с гидроксидом кальция в гидротермальных условиях / А.Н. Володченко // Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. - 2012. - Т. 30.

- № 3. - С. 35-37.

11. Володченко, А.Н. Вяжущее на основе магнезиальных глин для автоклавных силикатных материалов / А.Н. Володченко // Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. - 2012. - Т. 30. - № 3. - С. 3841.