ПРИГОТОВЛЕНИЕ АЛЮМОФОСФАТНЫХ КЛЕЕВ, ИХ ИК-СПЕКТРОСКОПИЯ И ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

АННОТАЦИЯ

Результатом нашего исследования явилась экзотермическая реакция получения алюмофосфатного клея, температура которой достигла 70–80 °C. Образование алюмофосфата имело высокую эффективность. Целью предлагаемых методов является получение огнеупорных клеев с выской эффективностью и повышение их огнестойкости. Для определения состава синтезированных алюмосфатных клеев проведены анализы ИК-спектрометрии и термогравиметрии (ТГ) деревянных материалов покрытых модифицированным алюмофосфатным клеем, для определения потери массы при температуре. Из анализа ИК-спектроскопии видно, что в области 771,53 см-1 имеются линии поглощения, относящиеся к валентной группе, валентным связям алюминийсодержащих соединений металлов. Можно проанализировать, состоят ли рассматриваемые вещества из связей, характеризующих состав алюмофосфатного клея. Описана потеря массы деревянного образца, обработанного алюмофосфатным клеем. Во 2-м интервале потери массы происходит интенсивный процесс разложения, при котором происходит 49,594 % разложения.

ABSTRACT

The result of our research was an exothermic reaction for the production of aluminophosphate glue, the temperature of which reached 70-80 °C. The production of aluminophosphate was highly efficient. The purpose of the proposed methods is to use fire-resistant adhesives with high efficiency and increase their fire resistance. To determine the composition of the synthesized aluminophosphate adhesives, IR spectrometry and thermogravimetry (TG) analyzes were carried out on wooden materials coated with a modified aluminophosphate adhesive to determine mass loss at temperature. From the analysis of IR spectroscopy it is clear that in the region of 771.53 cm-1 there are absorption lines related to the valence group, valence bonds of aluminum-containing metal compounds. It can be analyzed whether it consists of bonds that characterize the composition of the aluminophosphate glue. Weight loss of a wooden sample treated with aluminophosphate glue, in the 2nd weight loss interval, an intensive decomposition process occurs, during which 49.594 % of decomposition occurs.

Ключевые слова: клей, алюмофосфат, древесина, материал, адгезия, ортофосфатная кислота, смесь, термическая обработка, анализ, огнеупорность, связующие.

Keywords: glue, aluminophosphate, wood, material, adhesion, orthophosphate acid, mixture, heat treatment, analysis, fire resistance, binders.

Введение. В настоящее время в связи с ростом спроса на строительные материалы, развитием новых технологий, повышением требуемого качества выпускаемой продукции возрастает спрос на клеи на основе фосфорной кислоты и ее производных. Связывающие свойства фосфорной кислоты известны давно. Впервые фосфорную кислоту использовали для изготовления зубных пломб из фосфата цинка, которые затвердевали за считанные минуты. Кислые соли, моно- и диссоциированные фосфаты также имеют связывающие свойства. Лучшими из них обладают кислые фосфаты алюминия, водные растворы которых принято называть «связующими». Кислые фосфаты алюминия образуются в результате реакции гидроксида или дигидроксифосфата алюминия с фосфорной кислотой. Их вязкость и связующие свойства зависят от соотношения оксида алюминия, оксида фосфора и воды [4].

Материалы из дерева вызывают большой интерес благодаря своей экологичности и простоте использования. Причина в том, что его компоненты производятся из природных источников, которые оказывают незначительное негативное влияние на здоровье человека. Выровнять поверхность деревянных материалов можно с помощью натуральных и синтетических клеев. Древесные материалы используются в различных местах (например, в школах, выставочных залах, театрах, аэропортах, больницах, гостиницах и т. д.) для внутренних перегородок, кровли, потолков и мебели [6].

Неорганические связующие, такие как алюмофосфат (АФ), в настоящее время широко используются благодаря их хорошей термостойкости и механическим свойствам. Алюмофосфат – неорганический многофункциональный клей, синтезированный путем растворения гидроксида алюминия и фосфорной кислоты в специальных молярных соотношениях. В течение многих лет его использовали в качестве антикоррозионного связующего для металлов и керамики. В настоящее время клеи на основе фосфата алюминия используются при производстве древесных материалов. Поэтому дальнейшая разработка клеев для древесины с улучшенными свойствами очень важна [1].

На основе гидроксида алюминия и фосфорной кислоты разработаны алюмофосфатные клеи, обладающие высокой термостойкостью и механической прочностью. Особенностью этих клеев является сохранение механической прочности даже после нагрева. Еще одной положительной особенностью алюмофосфатных клеев является то, что они не выделяют газообразных продуктов при термообработке. Поэтому эти клеи используются для монтажа и фиксации внутренних частей вакуумных устройств [7].

Многое зависит от назначения клея, в частности, возможности изменять количество фосфорной кислоты и смеси наполнителей. Например, металлические порошки используются в качестве наполнителей при производстве токопроводящих клеев. Для склеивания мелких деталей (это может быть проволока диаметром 10–20 микрон) используют клей с высоким содержанием связующего вещества (до 50 %). В этом случае используются порошки наполнителей тонкого помола. Если предназначение клея – работа в глубоком вакууме, то из смеси наполнителей полностью исключается каолин [3].

Клей можно сушить на воздухе, в вакууме, в атмосфере азота, водорода. Все зависит от свойств склеиваемых материалов. Так, если металлы легко окисляются и их необходимо склеить, клей сушат в вакууме или в атмосфере водорода. Если рассматривать материалы, не окисляющиеся на воздухе (керамику), то их связь одинаково прочна в любых условиях [2].

Среди фосфатных клеев особое место занимают алюминиево-фосфатные компоненты. Исследование влияния различных наполнителей (корунд, оксид титана (II), цирконий и др.) на свойства алюмохромофосфатных клеев типа ВК-21 показало, что при напылении корунда образуются оксид титана(II) и нитрид алюминия. Используемая адгезия материалов из нержавеющей стали практически одинакова. Температурная стойкость материалов до 200–900°С [4].

Неорганические клеи являются наиболее термостойкими из всех доступных сегодня клеев. Большинство из них выдерживают термические нагрузки до 3000 °С и имеют практически неограниченный срок службы.

Целью данного исследования явилось получение алюмофосфатного клея, а также получение огнеупорных древесных материалов высокой эффективности, обработанных и модифицированных синтетическим алюмофосфатным клеем. Задачами данной работы является определение физико-механических свойств полученного материала и определения огнестойких свойств стандартными методами.

Экспериментальная часть. Анализ литературы показывает, что существуют различные способы получения алюмофосфатных клеев в зависимости от применения, которые заключаются в различных специальных температурах, химических составах и пропорциях.

В результате наших исследований был проведен реакционный процесс получения алюмофосфатного клея путем смешивания ортофосфорной кислоты и гидроксида алюминия в соотношении 3:1 в термостойкой трехгорлой колбе емкостью 1 л с мешалкой и термометром. В ходе реакции температура повышалась до 70–80 °С. Фосфат алюминия производится с высоким выходом. Реакции экзотермические.

Целью предлагаемых способов является получение термостойких клеев с высокой эффективностью и повышением термостойкости.

Реакция образования алюмофосфатного клея следующая:

Предлагаемый нами алюмофосфатный клей сохраняет свои свойства при температуре 1800°С, в соответствии с данными литературы.

Результаты и их обсуждение. Показаны основные характеристики ИК-спектроскопии синтезированных алюмофосфатных клеев. Согласно этому, ИК-спектральный анализ алюмофосфатных клеев в основном показывает наличие связей ОН при 3223,05   см^-1 и линий поглощения, соответствующих валентным группам в области -Р=О при 1292,31 и 1201,65 см^-1. Анализ указывает, что валентные связи, принадлежащие алюминийсодержащим соединениям металлов, образованы связями, характеризующими состав алюмофосфатного клея по наличию линий поглощения, относящихся к валентной группе в районе 771,53 см^-1 (рис. 1).

Рисунок 1. Изображение ИК-спектра клея на основе фосфата алюминия

При анализе процесса производства алюмофосфатного клея были изучены тепловыделение при 70–80°С и эффективность выхода в разное время. Ортофосфорную кислоту и гидроксид алюминия брали в соотношении 3:1.

Для определения температурной потери массы древесных материалов, обработанных модифицированными алюмофосфатными клеями, мы провели ее термогравиметрический анализ (ТГ). Представлена дериватограмма полученного образца, состоящая из 2 кривых. Она состоит из кривой термогравиметрического анализа (ТГА) (кривая 1) и кривой дифференциальной термогравиметрии (ДТГ) (кривая 2). Кривая ТГА в основном имеет место в трех диапазонах температур интенсивного разложения. 1-й интервал разложения протекает в интервале 27,21–170,05 °С, при котором за счет первой стадии испарения влаги теряется 8,394 % основной массы, 2-й интервал разложения происходит при 170,05–360,67 °С, при этом теряется 49,594 %. массы. 3-е разложение происходит при 360,67–601,14 °С, при этом теряется 28,204 % массы (рис. 2).

Рисунок 2. Дериватограмма древесных материалов, обработанных модифицированными алюмофосфатными клеями:

1-кривая термогравиметрического анализа (ТГА); 2- кривая дифференциального термического анализа (ДТА)

Анализ показывает, что 2-й промежуточный продукт деления подвергается интенсивному процессу деления. В этом интервале происходит величина распада, т.е. 49,594 % распада.

Степень потери массы (vm) определяли методом графического дифференцирования кривой ТГА:

vm=Dw/Dt

здесь Dw – потеря массы, мг; Dt – интервал времени, мин.

Подробный анализ кривой термогравиметрического анализа и кривой дифференциального термического анализа приведен в таблице ниже.

Таблица 1.

Влияние температуры на потерю массы древесных материалов, обработанных модифицированными алюмофосфатными клеями

Таким образом, на основе экспериментальных данных, полученных по кинетике процессов в интервале температур от 50°С до 600°С, изучено влияние температуры на потерю массы древесных материалов, обработанных модифицированными алюмофосфатными клеями.

Выводы. В заключение можно сказать, что в результате наших исследований получен алюмофосфатный клей и огнестойкие древесные материалы, обработанные модифицированным синтетическим алюмофосфатным клеем. В результате было предложено получать термостойкие деревянные материалы. Предложены современные методы исследования структуры и свойств древесных материалов на основе алюмофосфатного клея, в том числе методы инфракрасной спектроскопии (ИК-спектроскопии), термогравиметрического (ТГ) анализа, а также определения огнестойких свойств стандартными методами. Проанализированы механизм и физико-химические свойства получаемого алюмофосфатного клея для повышения огнестойкости древесных и полимерных материалов, а также современные способы его применения. На сегодняшний день использование алюмофосфатных клеев, которые мы предлагаем, является перспективным, данный вид клеев обеспечивает синергетический эффект, замедляющий горение и снижающий экологический риск производства древесных материалов.

Список литературы:

1. Андреева Т.А. Периодический закон и свойства растворов // Термодинамика и строение растворов: межвузовск. сб. – Вып. 5. – Иваново, 1976. – 39 с.
2. Вохидов Э.А. Изучение рецептов приготовления алюмофосфатных клеев, их условий и характеристик готового продукта // Хоразм маъмун академияси ахборотномаси. Хорезмской академии Маъмуна. – 2019. – № 6 (1). – 72 с.
3. Вохидов Э.А., Джалилов А.Т., Саидов С.С. Получение высокотемпературного стойкого фосфата алюминия и дериватограммный анализ // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. – 2020. – № 7 (76). [Электронный ресурс]. –  Режим доступа: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/9878 (дата обращения: 02.02.2024).
4. Клеи на основе связующих материалов [Электронный ресурс]. –  Режим доступа: http://bienchenbau.ru/informaciya/alyumofosfatnye (дата обращения: 09.12.2023).
5. Сычев М. М. Неорганические клеи. – 2-е изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1986.
6. Aladejana J.T., Zhenzeng Wu., Dehong Li, Kouomo Guelifack, Wei Wei, Xiaodong Alice Wang,Yongqun Xie. Facile Approach for Glutaraldehyde Cross-Linking of PVA/Aluminophosphate Adhesives for Wood-Based Panels // American Chemical Society Sustainable Chemistry & Engineering. – 2019. – 18524 ACS Sustainable Chem. Eng. 2019. // DOI: 10.1021/acssuschemeng.9b04555
7. Tingjie Chen, Zhenzeng Wu, Xiaokang Hu, John Tosin Aladejana, Min Niu, Zhiyong Liu, Qihua Wei, Xiangfang Peng, Yongqun Xie, Binghui Wu. Constructing hydrophobic interfaces in aluminophosphate adhesives with reduced graphene oxide to improve the performance of wood-based boards. // Journal Pre-proof. – 2020. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.108168. [Электронный ресурс]. –  Режим доступа: https://www.researchgate.net/publication/342045971_Constructing_hydrophobic_interfaces_in_aluminophosphate_adhesives_with_reduced_graphene_oxide_to_improve_the_performance_of_wood-based_boards (дата обращения: 19.12.2023).