Получение высокотемпературного стойкого фосфата алюминия и дериватограммный анализ

АННОТАЦИЯ

Кислые фосфаты алюминия образуются при взаимодействии гидроокиси алюминия или трехзамещенного фосфата алюминия с ортофосфорной кислотой. Их вязкость и вяжущие свойства зависят от соотношения окиси алюминия, окиси фосфора и воды. Изучен синтез алюминофосфата, а также в результате исследований был получен его дериватографический анализ.

ABSTRACT

Acidic aluminum phosphates are formed by the interaction of aluminum hydroxide or trisubstituted aluminum phosphate with phosphoric acid. Their viscosity and astringent properties depend on the ratio of alumina, phosphorus oxide and water. The synthesis of aluminophosphate was studied, and its derivatographic analysis was also obtained as a result of research.

Ключевые слова: клей, фосфат алюминия, связки, ортофосфорная кислота, смесь, термическая обработка, концентрация, отверждение, сушка, водостойкость.

Keywords: glue, aluminum phosphate, binder, orthophosphoric acid, mixture, heat treatment, concentration, curing, drying, water resistance.

Введение

На сегодняшний день с развитием все более новых технологий строительных материалов, с увеличением требуемого качества производимой продукции большой интерес представляют клеи-цементы на основе фосфорной кислоты и ее производных.

Вяжущие свойства фосфорной кислоты известны давно. Впервые фосфорная кислота была использована для получения цинкофосфатных зубных цементов, схватывание которых происходит в течение нескольких минут. Вяжущими свойствами обладают также кислые соли – одно- и двузамещенные фосфаты. Лучшие свойства имеют кислые фосфаты алюминия, водные растворы которых принято называть связками [2]. Кислые фосфаты алюминия образуются при взаимодействии гидроокиси алюминия или трехзамещенного фосфата алюминия с ортофосфорной кислотой. Их вязкость и вяжущие свойства зависят от соотношения окиси алюминия, окиси фосфора и воды. Клеи-связки – это концентрированные, обычно пересыщенные растворы [1].

В последние десятилетия в связи с активным развитием металлургической, машиностроительной, авиационной, космической и других видов промышленности все более актуальным становится вопрос о разработке и производстве термостойких материалов, среди которых особое значение уделяется клеям, способным выдерживать воздействие высоких температур.

Кроме того, фосфат алюминия поставляется в нашу страну главным образом из зарубежных стран и имеет высокую стоимость. Целью работы является описание синтеза и установление химического состава фосфата алюминия.

Экспериментальная часть

Результатом исследования стал синтез фосфата алюминия двумя разными способами. В первом способе фосфорную кислоту и гидроксид алюминия добавляли в соотношении 1:1. В предыдущем случае влияние гидроксида алюминия, воды и фосфорной кислоты в наборе является относительным 1:0,9:1. Во втором методе мы использовали аммофос, воду и гидроксид алюминия, в котором соотношение веществ составляет 1:5:1, фосфат алюминия образуется с высоким выходом. Реакции являются экзотермическими.

Уже при комнатной температуре алюмофосфатные клеи становятся твердыми, но, чтобы отверждение произошло полностью, клеевой шов нагревают при температуре 270–300° в течение 2–6 часов (все зависит от толщины шва). После того как клей высушат при более низких температурах, он начинает поглощать влагу из воздуха, набухая при этом и становясь мягким, после чего теряется его механическая прочность. Повышение температуры во время сушки клея должно осуществляться со скоростью не более 2° в минуту в интервале температур от 10 до 20 и от 200 до 280 °C, а также не более 1,5° в минуту в интервале температур 100–200°. Если температуру в процессе сушки поднимать быстрее, то клеевой шов станет пористым из-за интенсивного испарения воды, прочность снижается.

Клей можно сушить как на воздухе, так и в вакууме, атмосфере азота, водорода. Все зависит от свойств склеиваемых материалов. Таким образом, если металлы легко окисляются и их нужно склеить, сушка клея производится в вакууме или в атмосфере водорода. Если же взять во внимание материалы, которые не окисляются на воздухе (керамика), то склеивание их будет одинаково прочным в любой среде.

Результаты и их обсуждение

Полученная дериватограмма показана на рисунке, который состоит из 4 кривых. Анализ кривой динамического термогравиметрического анализа (DTGA) (кривая 2) показывает, что кривая DTGA встречается в основном в двух диапазонах температур интенсивного разложения. Диапазон разложения 1-го соответствует температуре 63–277 °С, а диапазон 2-го разложения соответствует температуре 280–680 °С.

Рисунок 1. Дериватограмма фосфата алюминия на основе Al(OH)₃ и аммофоса:

1 – кривая температуры; 2 – кривая динамического термогравиметрического анализа (DTGA); 3 – произведение кривой динамического термогравиметрического анализа (DTGP); 4 – DSK кривая

Анализ показывает, что интенсивный процесс разложения происходит в первом интервале. В течение этого интервала происходит 41,95 % разложения.

Подробный анализ кривой динамического термогравиметрического анализа и кривой DSK приведен в таблице ниже.

Таблица 1.

Анализ кривых DTGA и DSK фосфата алюминия на основе Al(OH)₃ и аммофоса

В результате этих дериватографических исследований видно, что основная потеря массы происходит в диапазоне 100–250 °C при первом разложении, при котором теряется 42 % основной массы. Следующее разложение происходит при 260-680 °C, при этом теряется 18 % массы. После 690 °C никаких изменений не наблюдается. Масса остается неизменной.

Полученная дериватограмма показана на рисунке, который состоит из 4 кривых. Анализ кривой динамического термогравиметрического анализа (DTGA) (кривая 2) показывает, что кривая DTGA в основном происходит в двух диапазонах температур интенсивного разложения. Первый диапазон разложения соответствует температуре 50–205 °C, а второй диапазон разложения соответствует температуре 210–320 °C.

Рисунок 2. Продукты фосфорирования алюминия на основе Al(OH)₃ и фосфорной кислоты:

1 – кривая температуры; 2 – кривая динамического термогравиметрического анализа (DTGA); 3 – динамический термогравиметрический анализ оси кривой (DTGP); 4 – DSK кривая

Анализ показывает, что интенсивный процесс разложения происходит в первом интервале. Количество разложения в этом диапазоне составляет 42,65 %, то есть 14,32 мг.

Подробный анализ кривой динамического термогравиметрического анализа и кривой DSK приведен в таблице 2.

Таблица 2.

Анализ результатов кривых DTGA и DSK фосфата алюминия на основе Al(OH)₃ и фосфорной кислоты

В результате этих дериватографических исследований видно, что потеря основной массы происходит в диапазоне 100–250 °C при первом разложении, при котором теряется 42,65 % основной массы. После 290 °C никаких изменений не наблюдается. Масса остается неизменной.

С помощью алюмофосфатных клеев можно склеивать стекло, керамику, ситалл, а также такие металлы и сплавы, которые не взаимодействуют с фосфорной кислотой, – вольфрам, молибден, тантал, цирконий, никель, константан, ковар и др.

Алюмофосфатные клеи нашли широкое применение в производстве вакуумных приборов для склеивания внутренних деталей. Клеи применяются для крепления проволоки различного диаметра к металлам и диэлектрикам, для склеивания металлических пластин из молибдена, вольфрама, тантала с диэлектриками. Окончательная сушка склеенных узлов в этом случае производится, как правило, в вакууме.

Список литературы:

1. Андреева Т.А. Термодинамика и строение растворов // Межвузовск. сб. – Иваново, 1976. – Вып. 5.
2. Сычев М.М. Неорганические клеи. 2-е изд., перераб. и доп. – Л. : Химия, 1986.