ПОЛУЧЕНИЕ, ИЗУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ПОРИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ФОСФОГИПСА

АННОТАЦИЯ

В статье показано получение, исследование и применение композиционных материалов путем модификации интерполимерных комплексов, полученных на основе карбамоформальдегидной смолы(КФС) и карбоксиметилцеллюлозы(КМЦ), фосфогипсом - промышленным отходом производства фосфорных удобрений.

ABSTRACT

The article shows the production, research and application of composite materials by modifying interpolymer complexes obtained on the basis of carbamoformaldehyde resin (СFR) and carboxymethyl cellulose (CMC) with phosphogypsum, an industrial waste from the production of phosphate fertilizers..

Ключевые слова: фосфогипс (ФГ), интерполимерный комплекс (ИПК), пористый композиционный материал (ПКМ), карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ), карбамоформальдегидной смолы(КФС).

Keywords: phosphogypsum (PG), interpolymer complex (IPC), porous composite material (PCM, carboxymethyl cellulose (CMC), carbamoformaldehyde resin (СFR).

Введение. К настоящему времени развитие науки и техники композиционных материалов показало, что для разработки современных методов получения материалов с требуемыми свойствами и структурой необходимо решить ряд важных вопросов. При этом важно модифицировать интерполимерный комплекс (ИПК) различными наполнителями. Образующийся после модификации пористый композитные материалы (ПКМ) должен обладать ряд улучшенных свойств (например, прочность, твердость, термостойкость, водостойкость, устойчивость к агрессивным растворам и различным микроорганизмам)[1]. Актуальность исследований, посвященных изучению процесса получения новых ПКМ на основе Na-КМЦ – МФС в присутствии дешевых и доступных дисперсных наполнителей, таких как песок и промышленного отхода – фосфогипса с заданными физико-химическими и механическими свойствами. При этом удается также ответить на вопросы, связанные с влиянием состава наполнителей на строение и свойства образующегося **ПКМ. Нами поставлена задача изучение физико-химические и механические свойства полученных **ПКМ и разработка рекомендации как устройства для экономии оросительной воды (равномерное распределение воды) засушливых районах при Аралии. Фосфогипс, с которым проводилась работа, является отходом завода фосфорных удобрений «Амофос-Максам» г. Алмалык, Узбекистан [2,6,7].

Таблица 1.

Состав фосфогипса из отходов «Аммофос - Максам»

*Интерполимерный комплекс – ИПК, **Пористый композиционный материал – ПКМ,

***Полимер- полимерные комплекс - ППК

Узбекистане масштабы накопленного в целом можно оценить примерно в 80 млн. тонна [3].

Основной технологический процесс получения ПКМ состоит из следующих основных стадий:

• загрузка в реактор воды и карбоксилметил целлюлоза(Na-КМЦ), растворение и получение 2% раствора;

• загрузка в реактор карбомидоформальдегидная сиола жидкий(КФЖ) и 2%-ного раствора Na-КМЦ с проведением синтеза полимер- полимерных комплексов-ППК?;
• загрузка в реактор ***ППК, фосфогипса, песка и получение **ПКМ;
• формование **ПКМ и сушка.

Методика и методы изучения. Изучение прочности образцов. Для исследования механических свойств из исследуемых образцов **ПКМ готовили размером 30х30х30 мм. Испытания прочности образцов при сжатии проводились на гидравлических прессах (ГОСТ 8905-2005) )[8].

Коэффициент фильтрации. Определение коэффициента фильтрации производилось на специальной установке, представляющей собой металлическую трубу диаметром 75 мм и длиной 400 мм, установленную вертикально на треноге на расстоянии от пола 200 мм[3].

Рисунок 1. 1- Объём для воды(20 л воды); 2 – кранник; 3 – водоотводная труба; 4 - металлическую трубу диаметром 75 мм и длиной 400 мм; 5 - образец ПКМ стандартный диск диаметром 70 мм и толщиной 30 мм; 6 – кранник; 7- объём для сбора воды; 8 - Секундемер.)

Внутрь этой трубы, заподлицо с нижним ее концом, вкладывался стандартный диск диаметром 70 мм и толщиной 30 мм. В верхней части трубы, на расстоянии 100 мм от ее верхнего конца, был вмонтирован металлический патрубок, через который посредством резинового шланга непрерывно подавалась вода. Под треногой устанавливалась приемная посуда для отфильтрованной воды, объем которой замерялся через определенные промежутки времени. Расчет производился по формуле) [4, 11]:

K_ф = Q / w I см/сек,

где  I = H / h; Н - высота столба воды, см; h - толщина образца, см; w - площадь образца, см²; Q - количество воды, прошедшее через образец, см³/сек.

Химическая стойкость. Для определения химической стойкости образцов ИПК их погружали в ванны, содержащие 2% раствора NaCl и “агрессивной среды”. Последняя представляла собой смесь водных растворов следующих солей: 25% раствора NaCl, 25% раствора Na₂SO₄, 20% раствора MgSO₄, 15 % раствора CaSO₄ и 10 % раствора Са(НСО₃)₂[5,12].

После определенного периода экспонирования образцов в указанных растворах они вынимались из ванн, сушились на фильтровальной бумаге и подвергались испытанию на сжатие. Полнота отвердения полимерных материалов определялась методом экстракции. Экстрагирование производилось в аппарате Сокслета раствором ацетона и этилового спирта в соотношении 50:50 в течении 48 часов. Химическое сопротивление модифицированных ПКМ определяли по изменению массы, в соответствии с ГОСТ ом 25246-82.

Оптическая микроскопия. Можно отметь, что основные физико-механические характеристики и эксплуатационные свойства получаемых образцов зависят от их микроструктуры. С этой целью были подготовлены образцы в виде кубиков размеры 5 см. Отрезали алмазным диском из середины каждого кубика плоскопараллельные пластины толщиной 7 мм, затем они просушивались в сушильном шкафу. Далее их поверхность тщательно очищалась от посторонних частиц, образованных вследствие резки образцов[9].

Приготовленные все образцы просматривались под микроскопом (EVO MA-10) что позволило сформировать представление о внутренней микроструктуре. Учитывая особенности их микроструктуры, а именно, наличия крупных пор и крупных частиц наполнителя, был выбран специальный масштаб съёмки. Фотографирование производилось при увеличении в 1000-10000 раз. С каждого образца было снято несколько (не менее 3-4) снимков с наиболее характерных участков.

Результаты исследования и их обсуждение. Многие физико-химические и механические характеристики ПКМ зависят от морфологической структуры, в том числе и от содержания пор. Поэтому нами были получены образцы ПКМ с различной степенью пористости. Такие ПКМ оказались весьма полезными в случае снижения расхода оросительной воды. На рис. 2 А представлен образец ПКМ с фосфогипсом (20 в.ч) и песком (10 в.ч.). Его микроструктура также достаточно однородна. Поры размером от 0,1 до 0,6 мм расположены равномерно и составляют примерно 20% поверхности шлифа. Мелкими порами (менее 0,1 мм) буквально пронизан матричный материал. В образцах ПКМ с фосфогипсом 20 в.ч. и песком 25 в.ч. (рис. 1Б), наблюдается более мелкозернистая микроструктура. На поверхности шлифа содержатся большие полости, и крупные поры (до 0,6 мм). Основную часть объёма составляет матрица, содержащая микропоры на порядок меньше, чем в образцах рис. 2 А. Более равномерное распределение частиц наполнителя и матричного материала наблюдается на микрофотографии образца на рис. 2 В. Для данного образца характерно наличие не очень крупных пор (0,2-0,3 мм), которые указаны в нем больше микропор. При увеличение количества песка более 50в.ч. образец становится более хрупким. Что на внутреннею морфологическую структуру, так и на физико-механические характеристики получаемых материалов существенно влияют наполнители. Итак, многое зависит от их активности. Химическая активность наполнителей в первую очередь, зависит от их поверхностных характеристик, то есть от наличия активных поверхностных центров, способных взаимодействовать с полимером. Из литературы известно [10], что на поверхности практически любого наполнителя имеются активные центры (ОН-группы, координационно-ненасыщенные атомы). Химическую активность наполнителей влияет также природа полимерной среды, контактирующая с наполнителем, т.е. наличие у ПКМ групп, способных к непосредственному химическому взаимодействию с активными центрами поверхности наполнителя.

Рисунок 2. Микрофотографии образцов ПКМ (фосфогипс : песок = 20 : 10 в.ч. (2 А) : 20 : 25 в.ч. (2 Б) и 20:20 в.ч. (2 В), соответственно)

Приобретённый в форме материал высушивали в сушильной печи при 120-130 ⁰С в течение 30-35 минут и подавали в склад готовой продукции.

На опытной установке наработано 50 шт опытной партии КПМ с изготовлением из них оросительных установок для ирригационных систем.

Нами полученный ПКМ, характеризующийся следующими физико-химическими показателями (табл. 2):

Таблица 2.

Физико-химические показатели полученных ПКМ

В связи с вышеотмеченным, в 2018-2021 гг. проводились лабораторные и полевые исследования с применением ПКМ в качестве устройств для капельного орошения (Рис.3). Поливы проводились по лоткам, изготовленным из состава ПKМ с дисперсными наполнителями, имеющими вид борозды и устанавливаемым на гребнях борозды рядом с хлопчатником.

Рисунок 3. Общий вид оросительного лотка, полученного из ПКМ на основе ППК с фосфогипсом и песком. 1-лоткобразный установка из ПКМ; 2-микропоры

Поставленная задача - разработка рекомендации как устройства (Рис.3) для экономии оросительной воды (равномерное распределение воды) засушливых районах при Аралии, была решена таким образом, что несколько лотков с определенными размерами пор расставляли вслед друг за другом вдоль борозды, на расстоянии длины до бегания поливных вод. Экономия воды получается за счет исключения сброса воды, а также обеспечения равномерного увлажнения почвы по всей длине борозды.

Поливные воды в почву подаются через поры лотка в виде капелек. Размеры пор можно регулировать, изменяя состав ПКМ. Ширина лотков 10 см, глубина 12 см, а длина 100 см. Соединяя их последовательно, можно достичь необходимой длины.

Заключение. Нами получено пористые композиционные материалы и выявлены некоторые закономерности структурообразования ПКМ, зависящие от основных структурообразующих факторов. Установлено, что разработанные ПКМ можно применить как устройства для экономии оросительной воды (равномерное распределение воды).

Список литературы:

1. Ахмедов А.М., Комилов К.У., Курбанова А.Дж. Композиционные материалы на полимер-полимерных компонентах // Научный вестник Наманганского государственного университета 2019, №1 (3), 36-42.
2. Иваницкий В.В., Классен П.В., Новиков А.А. Фосфогипс и его использование.– М.: Химия,1990.
3. Комилов К.У. Нестехиометричные интерполимерные комплексы на основе мочевино - форальдегидной смолы и дисперсных наполнителей. // Дисс… к.т.н., Ташкент. ТИХТ, 2005. С. 100.
4. Komilov Q.O., Kurbanova A.D., Mukhamedov G.I., Allayev J. Рhosphogyptic compositions to improve meliorative soil properties // Academic research in educational sciences 2021, № 6, 1403-1410.
5. Курбанова А. Дж., Комилов К. У., Мирзарахимов А. А.,, Аллаев Ж. Получение новых пористых материалов из отходов химического производства// Экономика и социум.2021, №10. С. 790-797.
6. Муравьев Е.И., Добрыднев Е.П., Белюченко И.С. Перспективы ис-пользованияфосфогипса в сельском хозяйстве// Экологический вестник Северного Кавказа, 2008. Т. 4. №1.- С. 31-39.
7. Муравьев Е.И., Белюченко И.С. Свойства фосфогипса и возможность его использования в сельском хозяйстве// Экологический вестник Северного Кавказа,- 2008.- Т.4.- №2.- С. 5 – 18.
8. Мун Г.А., Нуркеева З.С., Хуторянский В.В., Уркимбаева П.И., Бектуров Е.А. Межмакромолекулярные комплексы и композиционные материалы на их основе. – Алматы: Қазақ университеті, 2018. С.136.
9. Mukhamedov G.I., Komilov Q.O., Kurbanova A.D. Interpolymeric complex for protection of the biosphere and spare water resources// Journal of Critical Reviews,2020. № 7 (2), Page. 230-233.
10. Мухамедов Г.И., Комилов КУ, Курбанова АДж. Получение и применение пористых композиционных материалов// "Экономика и социум". 2021. №2, C. 26-27.
11. Мухамедов Г.И., Комилов КУ, Курбанова АДж. Интерполимерные комплексы, свойства и их применение/ Монография. 2020. C.140.
12. Эшматов А.М., Комилов К.У., Курбанова А.Дж., Мухамедов Г.И. Применение интерполимерных комплексов для улучшения агрофизических свойств почв // Universum: технические науки : электрон с.. научн. журн. [и др.]. 2021. 5(86).