• 7universum.com
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_ноябрь. 2020 г.
СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВА МОДИФИЦИРОВАННОЙ
СЕРЫ И СЕРОБЕТОНА
Аманова Нодира Давлятовна
соискатель,
Термезский государственный университет, Республика Узбекистан, г. Термез
Тураев Хайит Худойназарович
д-р техн. наук, проф., Термезский государственный университет, Республика Узбекистан, г. Термез
Бекназаров Хасан Сойибназарович
д-р техн. наук, ведущий науч. сотр., Ташкентский научно-исследовательский институт химической технологии,
Республика Узбекистан, г. Ташкент E-mail: hasan 74@mail. ru
SYNTHESIS AND STUDY OF PROPERTIES OF MODIFIED SULFUR AND SULFUR CONCRETE
Nodira Amanova
Applicant, Termez State University, Republic of Uzbekistan, Termez
Khait Turaev
Dr. Tech. sciences, professor Termez State University, Republic of Uzbekistan, Termez
KhasanBeknazarov
Dr. Tech. Sciences, Leading Researcher Tashkent Research Institute of Chemical Technology, Republic of Uzbekistan, Tashkent
DOI: 10.32743/UniTech.2020.80.11-3.25-31.
АННОТАЦИЯ
В статье рассмотрен синтез модифицированной серы на основе кротонового альдегида, а также изучены их состав и структура элементным анализом, ИК-спектрическим и дериватографическим анализом. Установлено, что модифицированный образец показал повышенные свойства, поэтому такую серу можно использовать для большинства строительных изделий.
ABSTRACT
In the article, a modified sulfur based on crotonaldehyde was synthesized, and their composition and structure were studied by elemental analysis, IR-spectral and derivatographic analysis. It was found that the modified sample showed improved properties that they can be used for most building products.
Ключевые слова: сера, модификация, серобетон, зола-унос, отходы ТЭС. Keywords: sulfur, modification, sulfur concrete, ash waste, TPP waste.
Введение. В мире быстро растет потребление рая образуется в качестве побочного продукта про-
ископаемого топлива, как и количество серы, кото- цесса промышленной очистки. Поскольку ожида-
№ 11 (80)
Библиографическое описание: Аманова Н.Д., Тураев Х.Х., Бекназаров Х.С. Синтез и исследование свойства модифицированной серы и серобетона // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2020. 11(80). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/10933 (дата обращения: 26.11.2020).
№ 11(80)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ноябрь, 2020 г.
ется, что в будущем содержание серы будет постоянно увеличиваться, при отсутствии встречного плана потребуются огромные затраты на удаление отходов [3]. В результате было рассмотрено использование серы в качестве строительных материалов, таких как асфальт и бетон. Однако серный бетон, изготовленный из немодифицированной серы, имеет ограничения для практического использования, поскольку у него худшие свойства, такие как плохая водостойкость, и он значительно более хрупкий, чем традиционный бетон. Чтобы преодолеть эти недостатки, нужно модифицировать серу. Серный бетон с использованием модифицированных серосодержащих связующих показывает отличную долговечность при высоких концентрациях кислоты или соли [2].
На сегодняшний день в мире особое внимание уделяется созданию новых модифицированных серных вяжущих, на основе которых серобетон способен длительное время эксплуатироваться в условиях воздействия промышленных, климатических и других видов агрессивных сред, при этом является важной их экологическая безопасность. В промышленно развитых странах разработаны и нашли применение ряд модифицированных серных бетонов на основе непредельных ароматических соединений: на основе этилиденнорборнена и других непредельных
органических соединений [1; 4].
/8_8\
8 Б
\ / S—S
Экспериментальная часть. В процессе синтеза использовалась сера из Мубарекского ГПЗ. Использовали кротоновый альдегид производства ООО «Навоиазот». Кротоновая фракция содержит от 57,0 до 67,0 % кротонового альдегида, до 10 % ацетона, до 25 % паральдегида, до 2,0 % ацетальде-гида, воду и др. Зола-унос применяли Ангренской ТЭС.
Серу нагревали в стеклянном стакане до 185 °С на термостатированной масляной бане при постоянном перемешивании до образования прозрачной вязкой оранжевой расплавленной фазы серы. Затем непосредственно добавляли кротоновый альдегид к фазе расплавленной серы. Полученную смесь перемешивали при 185-190 °С в течение 60-70 мин, что приводило к некоторому снижению вязкости реакционной среды и получению продуктов черного и желтого цвета для сомономеров кротонового альдегида с серой соответственно. Полученные продукты после завершения были взяты непосредственно из химического стакана с помощью шпателя, и им дали остыть до комнатной температуры. Реакция полимеризации кротонового альдегида с серой показана на схеме 1.
^S^tS •
s'-fs^S" + CH3-C=CH—CHO
CH
3
H
CH3 I H
H .S. CH—C—s-4S—C—C—S S I
H | CHO
CHO
Рисунок 1. Схема синтеза полимерной серы
Полученный сополимер серы нагревали до 180190 °С в стакане из нержавеющей стали, обору дован-ном механической мешалкой, в термостатируемой масляной бане до образования расплавленной фазы. К расплавленной среде модифицированной серы добавляли песок, щебень, зола-унос, и полученную смесь дополнительно нагревали при этой температуре с образованием гомогенной примеси бетона при постоянном перемешивании в молярном соотношении 1:3,5 (сополимер полисульфида: песок, щебень, зола-унос). Вязкую смесь помещали в форму собственного изготовления, а затем сразу же помещали в печь, нагретую до 180-190 °С, выдерживали в течение 30 минут, охлаждали до комнатной температуры и осторожно извлекали из формы.
Результаты и их обсуждение. Изготовление модифицированного серобетона включает в себя предварительную обработку присадочных материалов (летучая зола Ангренской ТЭС и мелкозернистый кварцевый агрегат) с кротоновыми фракциями с последующей обработкой элементарной серой для образования раствора полимеризованной серы. Была выбрана следующая пропорция смеси: 44 мас.% - песок, 18 мас.% - летучая зола, 36 мас.% - мелкозернистый кварц и 2 мас.% - органический модификатор (табл. 1). В исследовании летучая зола используется в обычном цементном бетоне для его пуццолановой реакции, которая позволяет уменьшить углеродный след продукта в модифицированном серобетоне (вместе с песком), чтобы
№ 11(80)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ноябрь, 2020 г.
обеспечить потенциальные места реакции для полимеризации и в качестве компонента наполнителя в ком-позитматериале. Добавление летучей золы в модифицированный серобетон полезно для повышения консистенции и обрабатываемости смеси благодаря ее круглой форме и подходящему размеру в качестве наполнителя. На стадии предварительной обработки материалы наполнителя и органический модификатор сме-
шивали и нагревали до температуры 170-180 °С в течение 12 часов. Материалы были объединены с элементарной серой и обработаны через мельницу с поперечной мешалкой с размером ячеек 1 мм для уменьшения размера частиц. Затем смесь нагревали и перемешивали в расплавленном состоянии при 135-145 °С в течение 4-6 часов и выливали в формы для охлаждения. Средняя плотность образцов серобетона составляла 2282 (± 41) кг/м3.
Таблица 1.
Рецептура смеси полимерного серобетона
Добавки Сера Песок Летучая зола Органический модификатор Всего
мас.% 36 44 18 2 100
Были изучены физико-химические свойства: плотность, температура плавления, растворимость, ИК-спектры и ДТГ серобетона. Физико-химические
Физико-химические пока
характеристики синтезированной модифицированной серы (сера с кротоновым альдегидом) представлены в табл. 2.
Таблица 2.
модифицированной серы
Показатели Модифицированная сера
Плотность, г/см3 ГОСТ 15139-69 2,140
Тпл °С 130
Цхв 0,070
Растворимость Толуол
Внешний вид и цвет Желто-коричневый порошок
На ИК-спектре модифицированной серы в областях 2358-2345 см-1 имеются полосы поглощения, подтверждающие наличие -СН-8 групп, и полосы поглощения в области 1755 см-1, подтверждающие наличие в свободном состоянии -С=О группы. ИК-спектр содержит полосы поглощения в области 3400 см-1, соответствующие -ОН группам. Деформационные колебания всех активных групп проявляются
в виде сильных узких полос между обычными полосами деформационных колебаний -СН-О- в области 1400-1465 см-1. Наличие групп, содержащих серу 8=О и 8-Н в области 2345-2368 см-1, подтверждает широкая интенсивная полоса серосодержащих соединений в областях 1200-1100 см-1, 1040-1060 см-1.
Рисунок 2. ИК-спектр модифицированной серы
Кроме того, на ИК-спектроскопии в областях 1060 см-1 и 1015 см-1 появляются узкие малоинтенсивные полосы, содержащие связи серосодержащего
соединения. При рассмотрении ИК-спектров модифицированной серы видны интенсивные -СН2-О группы с показателями диммера 1400-1440см-1 (рис. 2).
№ 11(80)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ноябрь, 2020
Рисунок 3. ТГА анализ модифицированной серы
Таблица 3.
Данные термогравиметрического анализа модифицированной серы
№ Температура, °С Потеря массы, мг (73) Потеря массы, % Количество расходованной энергии (дУ*«/шц)
1 100 72,62 0,52 0
2 200 72,57 0,43 6,91
3 300 70,01 4,09 3,89
4 400 55,1 24,09 3,99
5 500 52,2 5,08 4,13
6 600 51,5 0,36 4,97
7 700 50,04 0,10 6,70
8 800 49,90 0,13 4,32
9 900 48,5 0,75 5,32
10 1000 47,3 0,66 5,36
11 1100 45,1 0,31 3,35
12 1200 44,9 0,84 4,36
Термические свойства модифицированной серы исследовались на дериватографе. Масса образца модифицированной серы не меняется до 207 °С. На кривой ДТГ в температурном диапазоне 100-120 °С наблюдается один эндотермический пик (при 114,7 °С), что соответствует плавлению образца (рис. 2). Полученные данные в табл. 3 показывают, что выше температуры 307 °С образец начинает разлагаться в два этапа - до 365 °С со скоростью 6 %/мин, и выше 500 °С со скоростью 2,5 %/мин, с общей потерей массы 84 %. Реакция разложения эндотермическая, общая энергия разложения - 304,7 Дж/г.
С помощью электронной микроскопии олигоме-ров можно определить структурирование и количество элементов, содержащихся в модифицированных соединениях. При испытании образец сначала был закреплен в держатель, после чего образец покрыли до 5 нм золотым порошком. Для покрытия поверхности образца золотым порошком был использован прибор ОиОКиМ 0150 ЯЗ.
Исследована микроструктура образца модифицированного серного бетона методом сканирующей электронной микроскопии.
№ 11(80)
ноябрь, 2020 г.
ЯШШГГ' 'iiiIIl"
ш * 9И
[Шп тШ
Рисунок 4. Микрофотография серного бетона
0,08- И Спектр 13 I
- Вес.% о
- С 44.0 3.0
- S ¿6.6 2.1
0,06- О 15.6 13
_ Si 1.7 03
ей AI 1.2 02
N 0.9 1.9
_ Na 0.0 02
_
- 0
0,02- ¡¡1 И
_ 1 1 N. А1
- Li L
00 ■ ■ 1 , | , , , , | , 1 2 ...... 3 . . | . Г А TY"j . Г 5 6 ■ ■ 1 ■ 7 кэ В
Рисунок 5. Данные элементного анализа серного бетона
Подготовку образцов серобетона для исследования микроструктуры проводили по разработанной методике. На поверхность модифицированного серного бетона в вакуумной установке для ионного напыления наносили слой золота толщиной 5 нм. Металлизированные золотом образцы исследовали в сканирующем электронном микроскопе QUORUM Q150 RS в режиме вторичных электронов. Результаты микроструктурных исследований приведены на рис. 3. На рис. 3 можно видеть, что при добавке 5 г кротонового альдегида на 100 г серы существенно увеличиваются размеры частиц дисперсной фазы с 0,1 до 0,5 мкм, в то время как при добавлении 3 г кротонового альдегида на те же 100 г серы подобного эффекта не наблюдается. Если же кротоновый альдегид добавлять в пластифицированную полимерную серу, то значительное увеличение размеров дисперсной фазы происходит прямо пропорционально повышению содержания модифицирующей добавки.
На рис. 4 показано процентное соотношение углерода, кислорода, серы, кремния, азота, натрия и алюминия в составе серобетона.
На ИК-спектре серного бетона в областях 28501470 см-1 имеются полосы поглощения, подтверждающие наличие -СН2- групп, и полосы поглощения в области 1650 см-1, подтверждающие наличие в свободном состоянии -СО- группы. ИК-спектр содержит полосы поглощения в области 3400 см-1, соответствующие первичным -СО группам. Деформационные колебания всех активных групп проявляются в виде сильных узких полос между обычными полосами деформационных колебаний -СН2-СО-в области 1400-1405 см-1. Наличие групп, содержащих Б=О и Б-С в области 1050-1015 см-1, подтверждает широкая интенсивная полоса и серосодержащие соединения в областях 462-779 см-1, 1040-1060 см-1 и 1100-900 см-1.
Рисунок 6. ИК-спектр модифицированного серного бетона
Кроме того, на ИК-спектрах в областях 648779 см-1 и 1460 см-1 появляются узкие малоинтенсивные полосы, содержащие связи серосодержащих
соединений. При рассмотрении ИК-спектров се-робетон отличается от модифицированной серы сильной интенсивной -СН2-Б- группой с показателями диммера 1400-1440 см-1 (рис. 5.).
№ 11(80)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ноябрь, 2020
Рисунок 7. ДТГ и ТГ анализ серного бетона
Проводили исследование по изучению термической устойчивости серного бетона методом дифференциально-термогравиметрического анализа. Масса серного бетона не меняется до 216 °С (рис. 6 и табл. 4). На кривой ДТГ в температурном диапазоне 120-380 °С наблюдаются два эндотермических пика, что соответствует двум фазовым переходам
Данные термогравиметрического
(структурным перестройкам) и плавлению образца. Выше температуры 400 °С образец начинает разлагаться в два этапа - до 275 °С со скоростью 5 %/мин, потерей массы 3,10 %, и выше 280 °С со скоростью 19,5 %/мин. Первый этап разложения - экзотермический (энергия 4.99 цV*s/mg), второй - эндотермический (энергия - 28,3 (рис. 6).
Таблица 4.
модифицированного серного бетона
№ Температура, °С Потеря массы, мг (81) Потеря массы, % Количество расходованной энергии (^V*s/mg)
1 100 80,69 0,30 2,34
2 200 80,50 0,49 5,81
3 300 78,45 3,10 4,99
4 400 65,14 19,5 3,79
5 500 58,20 8,90 4,23
6 600 58,10 0,07 5,67
7 700 57,90 0,46 4,50
8 800 55,30 3,35 6,42
9 900 54,40 0,94 3,62
10 1000 54,00 0,50 5,46
11 1100 53,70 0,90 4,65
12 1200 53,10 0,40 3,56
Заключение. Таким образом, установлено, что модифицированная сера с кротоновой фракцией при высокой температуре обладает удовлетворительной связывающей способностью удерживать зольную пыль и мелкий наполнитель. Термогравиметрические свойства модифицированного образца показали
повышенные свойства, поэтому их можно использовать для большинства строительных изделий.
Эксперименты дифференциально -термогравиметрического анализа указывают на снижение эндотермической реакции 8П и, следовательно, успешной реакции полимеризации.
Список литературы:
1. Бекназаров Х.С., Тураев Х.Х., Аманова Н.Д. Синтез и исследование нового полимерного серобетона // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. - 2020. - № 6 (75) / [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/9598.
№ 11(80)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ноябрь, 2020 г.
2. Стоянов С.О. Технологическая линия по производству серных и других гомогенных композиций / О.В. Стоянов, Н.К. Нуриев // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - Т. 16. - № 14. - С. 47-49.
3. Хамидуллин Ф.А. Технология получения серополимерного цемента / Ф.А. Хамидуллин, В.И. Гайнуллин // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2012. - Т. 17. - № 1. - С. 148-149.
4. Ksi^zek M. The experimental and innovative research on usability of sulphur polymer composite for corrosion protection of reinforcing steel and concrete // Composites Part B: Engineering. - 2011. - Vol. 42. - Issue 5. - P. 10841096.