ВЛИЯНИЕ СРЕДЫ НА ХИМИЧЕСКУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ БАЗАЛЬТОВОГО СТЕКЛОВОЛОКНА Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2016 Химия Вып. 3(23)

УДК 620.193.4

DOI: 10.17072/2223-1838-2016-3-71-76 М.Г. Щербань, О.Ш. Гоголишвили

Пермский государственный национальный исследовательский университет, Пермь, Россия

ВЛИЯНИЕ СРЕДЫ НА ХИМИЧЕСКУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ БАЗАЛЬТОВОГО СТЕКЛОВОЛОКНА

Обсуждается влияние различных сред на химическую устойчивость и структуру базальтового стекловолокна (БСТВ).

Ключевые слова: базальтовое стекловолокно; гидролитические кривые; химическая устойчивость; микроструктура.

M.G. Shcherban, O.Sh. Gogolishvili

Perm State University, Perm, Russia

THE INFLUENCE OF THE ENVIRONMENT ON CHEMICAL RESISTANCE OF BASALT FIBER

Discusses the influence of different environments on chemical resistance and structure of basalt fiber (STBF).

Keywords: basalt fiber; hydrolytic curves; chemical resistance; microstructure.

© Щербань М.Г., Гоголишвили О.Ш., 2016

Введение

Как известно, применение горных пород для получения волокон различного назначения требует изучения их кислото- и щелочестойкости. Кислотоустойчивые волокна могут быть использованы в качестве армирующих материалов в производстве полимерных композитов, щелоче-стойкие - для армирования цементов, слабокислотоустойчивые - для получения высокотемпературных материалов и адсорбентов [1-36].

Изучение стойкости базальтового волокна принципиально важно и для решения следующих задач:

- остекловывание вредных, в том числе радиоактивных, отходов;

- высотемпературная переработка отходов строиматериалов и конструкций;

- асбестозамещение;

- создание минеральных волокон с заданными характеристиками по химической, температурной стойкости и биорастворимости;

- разработка новых технологий плавления горных пород для выделения расплавов полезных компонентов, в том числе металлов платиновой группы и алюминия.

Различают два вида взаимодействия агрессивной среды и волокна - химическое (выщелачивание) и растворение его в объеме внешней среды.

Так, многие силикатные волокна растворяются в концентрированных горячих растворах ще-

лочей, т.е. обладают низкой щелочестойкостью. По кислотостойкости волокна условно подразделяются на три группы: растворяющиеся, выщелачивающиеся и относительно стойкие [2-37].

Результаты и обсуждение

Химическую стойкость базальтового стекловолокна (БСТВ) оценивали по потерям массы в средах 0,1 н НС1; 0,1 н H2SO4; 0,5 н №С1; 0,1 н №ОН.

Массовый показатель устойчивости рассчитывали по уравнению

Д т

К = -

т ,

т о <

где т0 - исходная масса образца; Дт - убыль массы после испытаний; ^ - время испытаний.

Наряду с гравиметрией и микроскопическими исследованиями в течение 5 суток проводили мониторинг рН коррозионной среды.

Кривые изменения рН растворов во времени представлены на рис. 1-3.

Гидролитические кривые, полученные в щелочи, свидетельствуют о том, что щелочной гидролиз базальтовых волокон состоит из нескольких параллельно протекающих процессов. Это переход в раствор ионов повышающий значение рН на начальной стадии гидролиза, и переход в щелочной раствор SiO2 из алюмосили-катной матрицы, вызывающий понижение рН раствора.

рн

Рис. 1. Гидролитическая кривая БСТВ в растворе NaOH

рн

^ ч

Рис. 2. Гидролитическая кривая БСТВ в растворе №0

pH

2.0

1.6

1.2

0.8

-О 2

-• 1

20

40

60

80

100

t, ч

Рис. 3. Гидролитические кривые БСТВ в растворах H2SO4 (1) и HCl (2)

120

Повышение рН растворов серной кислоты и хлорида натрия свидетельствует о переходе в раствор оксидов щелочных и щелочноземельных элементов, в результате чего на поверхности волокна возможно формирование защитной кремнеземной пленки.

Единственная среда, в которой рН раствора остается практически постоянным -

соляная кислота. Тем не менее, массовые потери волокна в ней максимальны (см. таблицу). Растворение волокна позволяет предположить, что базальтовое стекло содержит в своем составе недостаточное количество кремнезема и, напротив, обогащено щелочными и щелочноземельными оксидами.

0

Стойкость БСТВ в различных средах

Коррозионная среда NaOH 0,1 Н NaCl 1 Н HCl 0,1 Н H2SO4 0,1 Н

Кт-104, ч-1 1,0 4,4 11,8 8,6

Результаты исследования микроструктуры исходного базальтового волокна и структуры волокон после испытаний на их химическую устойчивость представлены на рис.4.

Исходное волокно имеет гладкую, равномерную по толщине структуру (рис.4, а). После испытаний в растворе №С1 (рис.4, б) структура и внешний вид волокон не изменяются. Незначительно изменяется структура волокна и по-

сле испытаний в растворе КаОИ (рис. 4, в). Однако следует отметить, что средний диаметр волокон после выдержки в обоих растворах несколько уменьшается, что свидетельствует об их равномерном растворении в этих средах. Наименьшую устойчивость, согласно гравиметрическим испытаниям, волокна проявили в кислых средах (см. таблицу), что подтверждается результатами электронной микроскопии.

После выдержки в растворе HCl (рис. 4, г) на отмечено появление поперечных рубцов поверхности волокна появляются «ямки трав- (рис. 4, д). ления», после пребывания в растворе H2SO4

(г) (Д)

Рис. 4. Образцы БСТВ. Исходный (а); после испытаний на химическую устойчивость в растворах: NaOH (б); NaCl (в); HCl (г); H2SO4 (д).

Таким образом можно предположить, что ческой стойкостью в нейтральной, кислой и ще-изучаемое БСТВ, предлагаемое к дальнейшему лочной средах. Для повышения устойчивости использованию, обладает недостаточной хими- материала необходимо уплотнение структуры

волокна. Такого эффекта, на наш взгляд, можно достичь путем введения в минеральную вату дисперсных частиц, в роли которых могут выступать оксиды алюминия, кремния, циркония [2] .

Библиографический список

1. Черняк М.Г. Непрерывное стеклянное волокно. Основы технологии и свойства. - М.: Химия, 1965.320 с.

2. Зимин Д.Е., Татаринцева О.С. Влияние химического состава стекла на стойкость базальто-

Об авторах

Щербань Марина Григорьевна, кандидат химических наук, доцент кафедры физической химии ФГБОУ ВО «Пермский государственный национальный исследовательский университет» 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15. ma-sher74@mai1.ru

вых волокон к агрессивным средам // Ползу-новский вестник. 2010. № 4, Т.1. С. 247-251.

References

1. Chernyak M.G. (1965) Neprerivnoe steklyannoe volokno [Continious glass fiber], Khimiya, Moscow, SU. (In Russ.).

2. Zimin D.E. and Tatarintseva O.S. (2010), Influence of the chemical composition of glass on the resistance of basalt fibers to aggressive environments, Polzunovskii Vestnik, vol.1, no. 4, pp. 247-251. (In Russ.).

Поступила в редакцию 19.09.2016

About the authors

Shcherban' Marina Grigor'evna, candidate of chemistry,

associate professor of the Department of physical chemistry

Perm State University

614990, 15, Bukireva st., Perm, Russia.

ma-sher74@mail.ru

Гоголишвили Отар Шотаевич, Gogolishvili Otar Shotaevich,

студент student

ФГБОУ ВО «Пермский государственный нацио- Perm State University

нальный исследовательский университет» 614990, 15, Bukireva st., Perm, Russia.

614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15. otar5993@mail.ru

otar5993@mail.ru

Информация для цитирования

Щербань М.Г., Гоголишвили О.Ш. Влияние среды на химическую устойчивость базальтового стекловолокна // Вестник Пермского университета. Серия «Химия». 2016. Вып. 3(23). С. 71-76. DOI: 10.17072/2223-1838-2016-3-71-76.

Shcherban' M.G., Gogolishvili O.Sh. Vliyanie sredy na khimicheskuyu ustoychivost' bazal'tovogo steklovolokna [The influence of the environment on chemical resistance of basalt fiber] // Vestnik Permskogo universiteta. Seriya «Khimiya» - Bulletin of Perm University. CHEMISTRY. 2016. № 3(23). P. 71-76. (In Russ.). DOI: 10.17072/2223-1838-2016-3-71-76.