Рентгенофазовый анализ серных мастик на измельчённом кварцевом песке

Серные мастики относятся к дисперсным системам, которые можно изготовить при совмещении маловязкой дисперсионной среды – серного вяжущего и тонкодисперсных фаз – наполнителей. На структуру и свойства таких систем решающее влияние оказывают:

• 1)    равномерное распределение частиц наполнителя в мастике;

• 2)    интенсивность физико-химических явлений, происходящих на поверхности раздела фаз.

Как известно, кристаллическая сера при обычных условиях достаточно инертна, при высоких температурах способна вступать в химические реакции со многими наполнителями (ферроборовый шлак, фториды щёлочно-земельных металлов). Новообразования практически не изменяют структуру серы, однако оказывают большое влияние на физические, механические и, конечно, эксплуатационные свойства полученного материала и его долговечность и надёжность. Введение различного рода добавок позволяет существенно снизить интенсивность взаимодействий на поверхности раздела фаз и позволяет получить достаточно плотную мелкокристаллическую структуру композитов [1–6].

В настоящей работе для изготовления серных мастик в качестве дисперсионной среды использована техническая сера (ГОСТ 127.1-93), в качестве дисперсной фазы – тонкомолотый кварцевый наполнитель, полученный в результате механического измельчения кварцевого песка (месторождение

• р. Сура, г. Пенза) с модулем крупности М к = 1,3. Свойства полученного наполнителя представлены в таблице.

Характеристики наполнителя

Удельная поверхность, м2/кг	Плотность, кг/м3
	насыпная	истинная
170	1220±15	2650±50
290	970±15
410	875±15

Методы исследования

Для изучения структуры серы, её дефектности, а также качественного состава веществ, находящихся на поверхности раздела фаз, применялся рентгеноструктурный метод анализа, обладающий высокой достоверностью и экспрессностью [7]. Регистрацию дифракционной картины от порошковых образцов получали на детекторе рентгеновского излучения – дифрактометре «ДРОН-6» в пределах углов Брэгга θ = 0…38°.

Результаты и обсуждения

На рис. 1 и 2 приведены рентгендифракцион-ные спектры кристаллической серы, кварцевого песка и серных мастик.

Энергия Гиббса ( ∆G ), рассчитанная по термодинамическому уравнению [8–11]:

SiO 2 +3S→SiS 2 +SO 2 ↑ , имеет положительное значение

∆G = +303,4 кДж/моль,

Строительные материалы и изделия что указывает на невозможность самопроизвольного течения реакции при температуре получения (t = 160 °С) мастики в прямом направлении. Однако сравнение максимумов на рентгендифракцион-ных спектрах рис. 1 и 2 указывает на возникновение новых расстояний между плоскостями, что свидетельствует о химическом взаимодействии вяжущего с наполнителем с образованием новых кристаллических фаз – соединений Si. Это можно объяснить тем, что при измельчении частиц песка его поверхность становится более реакционноспособной и при температуре плавления серы происходит вышеуказанная реакция замещения с образованием SiS2. По таблице растворимости такие соединения являются водорастворимыми [12].

Как было изложено выше, введение добавок, в данном случае аппретов, позволяет блокировать химически реакционные частицы наполнителя и предотвратить образование водорастворимых соединений Si. В качестве блокаторов предлагаем применять растворы жидких каучуков в керосине (ТУ 10227-86). При температуре получения материала каучуки в расплаве серы вулканизируются и на наполнителе формируется непроницаемая оболочка, препятствующая реакции серы с кварцем. Толщина такой оболочки составляет примерно 10…15 нм. Таким образом, модель серного композита можно представить как два сообщающихся между собой слоя: внутренний – вулканизат и внешний – сера, которые последовательно окружают зерно кварцевого песка.

На рис. 3 представлены рентгендифракцион-ные спектры мастик на измельчённом песке, обработанном 15%-ным раствором каучука марки

а)

б)

Рис. 1. Рентгендифракционные спектры серы (а) и песка (б)

Рис. 2. Рентгендифракционные спектры мастик на измельчённом песке с дисперсностью 170 (а), 290 (б) и 410 (в) м2/кг. См. также с. 35

Рис. 2. Окончание

Polyoil 110 с молярной массой 1850 г/моль, плотностью 873 кг/м3 и вязкостью 0,91 Па∙с.

Сравнивая межплоскостные расстояния на рентгендифракционных спектрах рис. 1–3, можно сделать вывод, что на рис. 3 визуализируются максимумы, принадлежащие исключительно S и SiO2. Рефлексы, принадлежащие SiS2, не наблюдаются. Кроме этого, максимумы локализуются в пределах углов Брэгга θ = 13,36…13,56° и принад- лежат 25%-ной линии альфа-серы и 100%-ной линии бета-серы, что указывает на образование аллотропных видоизменений серы. Также отмечен сдвиг основных максимумов альфа-модификации в область наибольших углов, а бета-модификации – в область наименьших, что свидетельствует об образовании кристаллов альфа-серы в сжатых (стеснённых) условиях и внедрении в кристаллическую структуру бета-серы иных атомов.

Стро

a)

раствором

410 (в) м2/кг

Выводы

Из вышеизложенного можно сделать следующие выводы.

• 1.    Рентгенофазовый анализ является высокоэффективным методом при изучении структуры, качественного состава и дефектности композиционных материалов на основе серного и других вяжущих.

• 2.    На основании рентгенограмм выявлено, что между серой и измельчённым песком идут реакции, приводящие к образованию соединений кремния, хорошо растворимых в воде.

• 3.    Обработка реакционноспособной (измельчённой) поверхности наполнителя раствором синтетического каучука обеспечивает образование нанослоя, предотвращающего разного рода химические реакции на границе «дисперсионная среда – дисперсная фаза». Толщина такого слоя может варьироваться в зависимости от концентрации раствора каучука.

• 4.    Использование блокаторов (аппретов) позволяет получить материл, обладающий хорошей стойкостью к воздействия таких агрессивных факторов, как вода, минеральные соли и кислоты [13–21].