ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФОСФОГИПС–ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТНЫХ ПОРОШКОВ НА ОСНОВЕ МОЧЕВИНО- ФОРМАЛЬДЕГИДНЫХ ОЛИГОМЕРОВ

АННОТАЦИЯ

В работе представлены результаты исследований по созданию и изучению физико-механических свойств фосфогипс–полимерных композитных порошков на основе мочевино-формальдегидных (МФ) олигомеров. Использование фосфогипса, являющегося отходом фосфорной промышленности, позволяет получать экологически безопасные композиционные материалы с регулируемыми характеристиками. Модификация МФ-олигомеров введением фосфогипса способствует образованию устойчивых связей в полимерной матрице и улучшает адгезионные свойства системы. Определены основные физико-механические параметры — прочность, водопоглощение, гранулометрический состав и устойчивость к агрессивным средам. Показано, что добавление фосфогипса в количестве 30–50 % повышает прочность композита до 42 МПа и снижает водопоглощение на 25 %. Дополнительно изучена возможность применения полученных порошков в сельском хозяйстве для рекультивации засолённых почв. Опытные данные подтвердили их способность снижать электропроводность почвы на 20–30 %, что связано с ионным обменом между сульфатами кальция и солями натрия. Разработанные материалы обладают потенциалом использования в качестве почвенных мелиорантов, способствующих восстановлению плодородия засолённых земель.

ABSTRACT

This study presents the development and investigation of the physical and mechanical properties of phosphogypsum–polymer composite powders based on urea-formaldehyde (UF) oligomers. Phosphogypsum, a by-product of the phosphate industry, was used as an eco-friendly filler to create composite materials with tunable properties. The modification of UF oligomers with phosphogypsum enhanced structural bonding within the polymer matrix and improved adhesion performance. The main physical and mechanical parameters—strength, water absorption, particle size distribution, and resistance to aggressive environments—were evaluated. The addition of 30–50% phosphogypsum increased composite strength up to 42 MPa and reduced water absorption by 25%. The application of these powders in agriculture as soil conditioners was also studied. Experimental results showed a 20–30% decrease in soil electrical conductivity, attributed to ion exchange between calcium sulfate and sodium salts. The developed materials demonstrate strong potential as soil ameliorants for the reclamation of saline soils and improvement of soil fertility.

Ключевые слова: фосфогипс, композит, мочевино-формальдегид, олигомер, полимерный порошок, физико-механические свойства, мелиорант, солонцеватость, структура, адгезия.

Keywords: phosphogypsum, composite, urea-formaldehyde, oligomer, polymer powder, physical-mechanical properties, ameliorant, salinity, structure, adhesion.

Введение. В условиях нарастающего интереса к переработке техногенных отходов и улучшению свойств сельскохозяйственных почв особое значение приобретают фосфогипс–полимерные композиты, которые сочетают экологическую безопасность с высокой функциональностью [1]. Фосфогипс, побочный продукт производства фосфорных удобрений, ежегодно накапливается в значительных объёмах, что создаёт экологическую нагрузку на окружающую среду [2].

Одним из эффективных направлений его утилизации является использование в полимерных композиционных материалах (ПКМ), где он может выполнять функции минерального наполнителя, стабилизатора или активного мелиоранта [3]. Применение мочевино-формальдегидных олигомеров (МФO)  в качестве связующего обеспечивает образование трёхмерной сетчатой структуры, характеризующейся хорошей адгезией и химической стойкостью [4].

В сельском хозяйстве фосфогипс известен как средство для снижения солёности почв за счёт замещения натриевых катионов кальцием, улучшая структуру почвы и водопроницаемость [5, 6]. Однако использование его в чистом виде ограничено из-за слабой механической прочности и неравномерного распределения в почвенном профиле. Комплексирование фосфогипса с МФ-полимером позволяет получать гранулированные композитные порошки, обладающие повышенной прочностью, контролируемым растворением и пролонгированным действием[7,8,9].

Целью данной работы является разработка фосфогипс–полимерных композитных порошков на основе МФ-олигомеров, исследование их физико-механических свойств и оценка эффективности применения в сельском хозяйстве для уменьшения солёности почв.

Методы исследования. МФО получали конденсацией мочевины с формальдегидом при pH 5,0–5,5 и температуре 65–70 °C. Фосфогипс предварительно высушивали при 105°C и просеивали через сито 0,25 мм. Компоненты смешивали при массовом соотношении МФО : фосфогипс = 1 : 3; 4; 5 с последующим высушиванием до порошкообразного состояния.

Физико-механические испытания включали:

• определение прочности на сжатие (ГОСТ 310.4-81);
• влагопоглощение после 24 ч в воде при 25 °C;
• гранулометрический анализ (метод лазерной дифракции);
• устойчивость к агрессивным средам (1 % NaCl и H₂SO₄).

Эффективность снижения солёности почв оценивали по изменению электропроводности водной вытяжки (EC, мСм/см) и концентрации Na⁺ и Ca²⁺ после внесения композита в солонцеватую почву (0,5 % по массе) в течение 30 дней инкубации при влажности 60 % ПВ.

Результаты и обсуждение. Морфология и структура композитовю Микроструктурный анализ показал, что при введении фосфогипса в полимерную матрицу МФ-олигомера происходит равномерное распределение частиц неорганического наполнителя по всему объёму. На электронно-микроскопических изображениях (SEM) наблюдаются чётко выраженные контакты между частицами фосфогипса и полимерной фазой, что свидетельствует о высокой адгезии и образовании прочных межфазных связей.

При увеличении содержания фосфогипса выше 50 % наблюдается частичное образование агломератов, что снижает однородность структуры и может привести к локальным напряжениям при механических нагрузках. Оптимальное распределение частиц достигается при содержании фосфогипса 40 ± 5 %, обеспечивающем равномерное формирование связей «CaSO₄·2H₂O – CH₂–NH–CO–» за счёт водородного и координационного взаимодействия.

ИК-спектры композитов показывают снижение интенсивности полос поглощения при 3400–3500 см⁻¹ (–OH и –NH группы) и увеличение при 1650 см⁻¹ (C=O), что подтверждает участие функциональных групп олигомера в связывании частиц фосфогипса. Появление слабой полосы при 1115 см⁻¹ указывает на формирование связей Si–O–Ca и возможное включение сульфатных групп в структуру полимера.

Физико-механические свойства композитов. Исследование физико-механических характеристик показало, что добавление фосфогипса существенно влияет на прочностные показатели и водостойкость композитов. Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Основные физико-механические показатели  фосфогипс–МФ-композитов

Как видно из данных таблицы, при увеличении содержания фосфогипса до 40 % достигается максимальная прочность на сжатие 42,1 МПа, что на 34 % выше по сравнению с немодифицированным полимером. Дальнейшее увеличение доли минерального компонента вызывает незначительное снижение прочности из-за образования хрупкой фазы.

Водопоглощение композита снижается на 25–30 % по сравнению с исходным образцом. Это объясняется частичным заполнением микропор частицами фосфогипса и образованием дополнительной полимерной сетки, ограничивающей проникновение воды.

Плотность материалов увеличивается с 1,42 до 1,56 г/см³, что подтверждает уплотнение структуры и уменьшение объёма пор. Такие характеристики особенно важны при применении порошков в качестве гранулированных материалов, устойчивых к транспортировке и влаге.

Термостабильность и устойчивость к агрессивным средам. Данные дифференциально-термического анализа показали, что модификация фосфогипсом способствует увеличению температуры начала термического разложения с 215 °C до 240 °C. Это связано с формированием неорганических мостиков, стабилизирующих структуру МФ-сетки.

Испытания на химическую устойчивость показали, что после 72 часов выдержки в 1 % растворе NaCl и 1 % H₂SO₄ потеря массы образцов не превышала 1,8 %, что подтверждает высокую стойкость композита к агрессивным средам.

Таким образом, можно утверждать, что введение фосфогипса улучшает теплостойкость и химическую инертность полимера, что особенно важно при хранении и применении в почвенных условиях.

Эффективность применения в сельском хозяйстве. Полевые и лабораторные опыты с использованием полученных композитных порошков на засолённых почвах (электропроводность исходной вытяжки 6,2 мСм/см, содержание Na⁺ – 23 ммоль/л) показали заметное улучшение агрохимических показателей.

Через 30 дней после внесения 0,5 % композита наблюдалось:

• снижение электропроводности почвы до 4,5 мСм/см (–27 %);
• уменьшение содержания Na⁺ на 22 %, при одновременном увеличении Ca²⁺ на 18 %;
• повышение агрегатной устойчивости почвы на 12–15 %.

Эти результаты подтверждают, что фосфогипс, заключённый в МФ-полимерную матрицу, сохраняет способность высвобождать ионы Ca²⁺, обеспечивая ионный обмен с солями натрия. За счёт этого улучшается структура почвы: уменьшается плотность, повышается водопроницаемость и аэрируемость.

Кроме того, полимерная оболочка обеспечивает пролонгированное действие композита, предотвращая быстрое растворение фосфогипса и вымывание кальция из верхнего слоя почвы. Это делает материал перспективным для использования на слабозасолённых и среднезасолённых землях.

Анализ совокупности свойств. Комплексное сравнение показало, что разработанные фосфогипс–МФ-композиты сочетают:

• высокие физико-механические показатели (прочность > 40 МПа);
• сниженную гигроскопичность (6–7 %);
• термостабильность до 240 °C;
• экологическую безопасность — отсутствие выделения формальдегида при хранении (<0,01 мг/м³);
• агрономическую эффективность — снижение солёности почв на 20–30 %.

Таким образом, материал представляет собой универсальный экологически безопасный композит, сочетающий свойства строительного порошка и почвенного мелиоранта. Его промышленное внедрение позволит решить сразу две задачи — утилизацию фосфогипса и повышение продуктивности сельскохозяйственных земель.

Заключение. Проведённые исследования позволили всесторонне оценить закономерности формирования структуры, физико-механических свойств и агрономической эффективности фосфогипс–полимерных композитных порошков на основе мочевино-формальдегидных олигомеров (МФО).

Установлено, что введение фосфогипса в структуру МФ-полимера приводит к комплексному усилению взаимодействий между органической и неорганической фазами. За счёт образования координационных и водородных связей между сульфатными и аминогруппами формируется гомогенная пространственная структура, обладающая высокой плотностью и термической устойчивостью. Это обеспечивает улучшение эксплуатационных свойств композита, включая повышение прочности и влагостойкости.

Оптимальное содержание фосфогипса в системе составляет 40 ± 5 %, при котором достигаются наилучшие показатели:

• прочность на сжатие – до 42 МПа,
• водопоглощение – 6,0 %,
• повышение термостабильности на 25 °C по сравнению с исходным образцом.

Кроме того, проведённые опыты по применению разработанных композитов в рекультивации солонцеватых почв подтвердили их высокую эффективность. Внесение 0,5 % порошка от массы почвы способствует снижению солёности (электропроводности) на 25–30 %, уменьшению концентрации ионов Na⁺ на 20–22 % и одновременному повышению содержания ионов Ca²⁺. Это приводит к восстановлению структуры почвы, улучшению водно-воздушного режима и повышению доступности питательных веществ для растений.

Таким образом, полученные результаты демонстрируют, что фосфогипс–МФ-композиты сочетают в себе три ключевые функции:

1. Материаловедческую — улучшенные физико-механические свойства, высокая термостабильность, стойкость к агрессивным средам;
2. Экологическую — рациональная утилизация отхода фосфорной промышленности (фосфогипса), снижение загрязнения окружающей среды;
3. Агрохимическую — способность снижать засоление почв и восстанавливать их плодородие.

С практической точки зрения, использование таких композитов может быть реализовано в виде гранулированных мелиорантов или порошковых добавок в составе комплексных удобрений. Пролонгированное действие материала обеспечивает постепенное высвобождение кальция и стабилизацию почвенного раствора, что особенно ценно для регионов с высокой степенью вторичного засоления (Центральная Азия, юг России, Казахстан).

Перспективы дальнейших исследований включают:

• оптимизацию состава с использованием органо-минеральных добавок для повышения биосовместимости с растениями;
• изучение влияния композитов на микробиологическую активность и структурно-агрегатное состояние почв;
• разработку технологических схем масштабного производства и грануляции порошков для применения в сельском хозяйстве и строительстве.

В целом, разработанные фосфогипс–полимерные композитные порошки можно рассматривать как инновационные экологически безопасные материалы нового поколения, обеспечивающие эффективное сочетание переработки отходов, укрепления полимерных структур и повышения устойчивости агроэкосистем.

Список литературы:

1. Tsuchida E., Abe K. Interactions between macromolecules in solution and intermacromolecular complexes // Advances in Polymer Science. – 1982. – Vol. 45. – P. 1–119.
2. Киреев В.В., Голованцов Р.Ю. Химия и технология карбамидоформальдегидных смол. – М.: Химия, 2008. – 320 с.
3. Heinze T., Koschella A. Carboxymethyl ethers of cellulose and starch – a review // Macromolecular Symposia. – 2005. – Vol. 223. – P. 13-40.
4. Курбанова А.Дж., Ахмедов А.М. Полученые композиционных материалов на основе полимер-полимерных комплексов// Вестник НамГУ, 2019,№3(3), С.36-41.
5. Mukhamedov G.I., Коmilov К.U., Usarov J.E. Development of Interpolymer Complexes for Soil Structure and Water Retention: A Scientific and Technological Contribution to Sustainable Development Goals (SDGs)// ASEAN Journal of Science and Engineering, 2025, №1(5(2)), pp.315-326.
6. Эшматов А.М. и другие. Применение интерполимерных комплексов для улучшения агрофизических свойств почв// Universum: технические науки, 2021, №5(86), с.44-47.
7. Ходжибеков С.Н. Режим полива при использовании нестихиометричных интерполимерных комплексов// АГРО ИЛМ, 2019, №2, с. 70-72.
8. Мирзарахимов А.А. и другие. Модификация интерполимерных комплексов на основе мочевино-формальдегидного олигомера: исследование физико-химических свойств// Universum: химия и биология, 2025, № 7(133), с. 15-19.
9. Mirzaraximov А.А. Modifikatsiyalangan fosfogips-interpolimer kompleks kompozitlarini olish va xossalarini o'rganish// O‘zMU xabarlari, 2025, №3/1, 280-283 betlar