ПОВЫШЕНИЕ КОРРОЗИОННОСТОЙКОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ДОБАВЛЕНИЕМ ПОЛИМЕРНЫХ ДОБАВОК

АННОТАЦИЯ

В работе приведены результаты исследований по изучению физико-химических свойств разработанных антикоррозионных композиционных материалов на основе жидкого стекла с добавлением полимерных добавок для защиты оборудований химической промышленности. Показано, что, введение в состав композиции полимерных добавок приводит упрочнению коллоидной матрицы, что приводит к улучшению коррозионных свойств порфиритовой и порфирито-волластонитовой композиции.

ABSTRACT

The paper presents the results of studies on the study of the physicochemical properties of the developed anticorrosive composite materials based on liquid glass with the addition of polymer additives to protect equipment in the chemical industry. It is shown that the introduction of polymer additives into the composition of the composition leads to the strengthening of the colloidal matrix, which leads to an improvement in the corrosion properties of the porphyrite and porphyrite-wollastonite composition.

Ключевые слова: кислотоупорные материалы, порфирит, волластонит, жидкое стекло, химическая устойчивость, микроструктура, агрессивная среда, жидкая фаза, химические соединения, гель кремневой кислоты, полимерная добавка, рентгенограмма, структурообразование.

Keywords: acid-resistant materials, porphyrite, wollastonite , liquid glass, chemical stability, microstructure, aggressive medium, liquid phase, chemical compounds, silicic acid gel, polymer additive, X-ray diffraction pattern, structure formation.

На химических предприятиях машины, аппараты и коммуникации   работают в условиях воздействия сильноагрессивных сред, и это нередко приводит к их преждевременному износу и возникновению аварийных ситуаций вследствие коррозии или деструкции конструкционных материалов [3]. 

Для защиты рабочих органов металлических поверхностей химических оборудований от агрессивных сред используют различные защитные композиционные полимерные покрытия.

Для предохранения от коррозии наружных и внутренних поверхностей аппаратов применяются защитные покрытия. 

Металлы и сплавы неорганические и органические соединения являются материалами для изготовления защитного покрытия, а также композиционные полимерные покрытия на основе различных связующих. Подбор замазок, растворов и уплотняющих материалов, соответствующих заданным условиям, а также вспомогательных материалов лежит в основе решения упомянутой проблемы и определяет качество сооружений [4].

При футеровке емкостей предприятий наполнителем служил кислотоупорная замазка, изготовленная из мелкоразмолотого силикатного материала и затворенная жидким стеклом. 

В Центральной Азии, в том числе и в Узбекистане имеются потенциальные сырьевые возможности для организации производства непроницаемых коррозионностойких композиций.  Перспективным является использование волластонитовых и порфиритовых пород.

Поэтому для получения эффективных высокопрочных силикатных композиций на основе местных сырьевых материалов нами выбраны порфирит Бекабадского месторождения, волластонит Койташского месторождения, кремнефтористый натрий и жидкое натриевое стекло.

Порфириты Бекабадского месторождения по своему химическому составу незначительно отличаются от пород, применяющихся в производстве кислотоупоров.

Нами установлен механизм коррозии материалов на связующих, модифицированных полимерными добавками в агрессивных средах дрожжевого производства.

Полимерные добавки выполняя роль сшивающего агента и адсорбируясь на частицах наполнителя, способствуют образованию химических связей связующего с наполнителем с образованием гидросиликатов.

Ускорению процесса растворения и образования коллоидного раствора или гидратируемой массы оказывает существенное влияние присутствие в материале полимерных добавок и солей. В присутствии питательных солей, вероятно, создаются благоприятные условия для образования растворимого кремнезема из коллоидного раствора, а растворение   его влечет за собой полимеризацию кремнезема.

Как известно, отверждение полимеров происходит при взаимодействии функциональных групп отверждающихся материалов между собой или же с функциональными группами отвердителей, поэтому определение полноты отверждения представляет большой научный интерес [2].  

Физико-химическими методами были изучены некоторые особенности процесса твердения порфиритовой композиции в среде дрожжевого производства.

В качестве отходов промышленности или реагентов на их основе использовали: кубовый остаток отход производства фурфурола (С₁) и кубовый остаток производства фурфурилового спирта (С₂).

Результаты определения прочности композиций [1] показали, что оптимальная дозировка полимера составляет 1-5% веса жидкого стекла. При этом получены составы кислотоупорных замазок, по прочности на 18-38% превышающие показателей образцов без добавки.

Добавки снижают водопоглощение в 1,5-2 раза, уплотняют структуру, повышают водостойкость. Компоненты фурфурилового спирта успешно применяются как пластификатор, а также как пленкообразующий компонент, оказывают ингибирующее действие и, в целом, усиливают антикоррозионной эффект, и в частности применяются для изготовления литейных форм и коррозионностойких жидкостекольных композиций.

Добавки С₁ и С₂ вводили в количестве 0,5; 1 и 2% от жидкого стекла. Как видно из таблиц 1 и 2. химическая стойкость первой рецептуры повышается с увеличением количества вводимой добавки.

При введении добавки С₁ прочность образцов на воздухе, в воде и в агрессивной питательной среде несколько занижена. Прочностные показатели у образцов с добавкой С₁ – 1% стабильны и выше, чем у других. (таблица 1).

Таблица 1.

Влияние питательных солей на коэффициент стойкости (КС) порфиритовой композиции

При введении полимерной добавки С₂ прочность образцов на воздухе, в воде и в агрессивной среде стабильна и находится в пределах 24-25 МПа, независимо от количества добавки (таблица 2).

Таблица 2.

 Влияние питательных солей на коэффициент стойкости (КС) порфиритовой композиции

Введение волластонита приводит к увеличению механических характеристик композиции, как при воздушном хранении, так и в растворе питательных солей. С увеличением количества добавки С₁ прочность и химическая стойкость растет, при 1%-ном содержании добавки она составляет 26-28МПа (таблица 3).

Таблица 3.

Влияние питательных солей на коэффициент стойкости (КС) порфирито-волластонитовой композиции

Введение добавки С₂ значительно увеличивает абсолютную атмосферостойкость – 32,6 МПа при 720 часовой выдержке, а в растворе агрессивных сред – 28,7 МПа (таблица 4).

При сравнении данных таблиц 3 и 4 отмечено, что введение добавки С₁ и С₂ в количестве до 1 -2 % увеличивает прочность и химическую стойкость композиций в питательных солях спиртодрожжевого производства.

Волластонит – являясь полиминеральным наполнителем существенно различается своими кристаллографическими параметрами, имеет различное строение и тип кристаллической решетки, что позволяет получать на его основе с добавкой полимерных добавок композиции, обладающие различными свойствами.

При взаимодействии жидкого стекла с волластонитом происходит выщелачивание с поверхности твердой фазы, и концентрация силикатных ионов в растворе возрастает.

Увеличение концентраций силикатных ионов в растворе под влиянием кремнийсодержащих добавок приводит к возрастанию модуля жидкого стекла, благоприятно сказывается на его вяжущей способности и на физико-механических свойствах отвердевшей замазки.

Таблица 4.

Влияние питательных солей на коэффициент стойкости (КС) порфирито-волластонитовой композиции

Что касается полимерных добавок С₁ и С₂, то введение их ускоряет структурообразование в растворе. Структурообразование протекает тем быстрее и полнее, чем большим дегидратирующим действием обладают вещества, добавляемые к жидкому стеклу.

Сильное гидратирующее действие присуще и молекулам фурфурилового спирта, вследствие значительной теплоты смещения с водой. Дегидратирующим действием обладают атомы водорода гидроксильной группы спирта. Вероятно, что структурообразование не сопровождается возникновением жесткого каркаса геля, что указывает на относительно высокий уровень обменных процессов по связи Si-O-Si.

При этом особое значение имеет период формирования пространственной коллоидной структуры, которая является основой образования конденсационной кристаллической структуры – носителя прочности. Введение с жидким стеклом дегидратируемых ионов добавок создает условия для лучшей диспергации частиц порфиритовой замазки, усиливает взаимодействие между молекулами затворителя и наполнителя.

При этом формируется более дисперсная, однородная, упорядоченная и прочная структура затвердевшей замазки.

Высокие прочностные характеристики порфиритовой замазки с добавкой С₂ в количестве 1% обусловлены выделением в процессе поликонденсации модифицированных жидких стекол аморфных новообразований, обладающих большой адгезионной способностью.

Исследование адгезионной способности замазок к металлу, керамике показало, что наибольшими адгезионными свойствами обладает порфирито-волластонитовая замазка, что в агрессивной среде составляет (в МПа) к: керамике – 1,9; металлу - 2,0. 

На рентгенограммах порфиритовых и порфирито-волластонитовых композиций, содержащих полимерную добавку С₂ в количестве 1%.  фиксируются линии кварца (d=0,334; 0,231; 0,212; 0,187 нм); биотита (d=0,420; 0,382; 0,230 нм); альбита (d=0,256; 0,244 нм).

На дифрактограммах полимерных порфиритовых замазок линии альбита и биотита со временем расплываются, что связано с полимеризацией органических компонентов, входящих в состав замазки и образованием геля кремневой кислоты.

Дифрактограммы порфирито-волластонитовых замазок обнаруживают появление новообразований в виде гидратных соединений аммофосастеркорита [(NH4)NaHPO4)]·4H2O с межплоскостным расстоянием d=0,348; 0,295; 0,289 нм.

Таким образом, упрочнение порфиритовой и порфирито-волластонитовой композиции обусловлено химическим и межмолекулярным взаимодействием компонентов. При введении полимеров в композицию происходит упрочнение коллоидной матрицы, что приводит к улучшению коррозионных свойств.

Список литературы:

1. Бабаев Ш. И др. Модификация вяжущих поверхностно-активными добавками // Строительные материалы.- 1992.- №2.
2. Горшков В.С., СавельевВ.Г., Федоров Н.Ф. Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений. –М.:-«Высшая школа».-1988.-289с.
3. Килимник А.Б. Химическое сопротивление материалов и защита от коррозии: учебное пособие / А.Б. Килимник, И.В. Гладышева. – Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2008. – 80 с.
4. Юлчиева С.Б.  Жидкостекольные композиции для антикоррозионной защиты аппаратов химической промышленности /канд.дис. Ташкент, 143 с.