Методическое пособие 714

ISSN 2225-1995

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ И ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ И КОНСТРУКЦИЙ

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ ПОЖАРНАЯ И АВАРИЙНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ХРОНИКА, БИБЛИОГРАФИЯ

Выпуск № 5

2012 г

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

УДК 667.657.2:614.8

И.С.Суровцев, Т.Д.Никулина, В.А.Поляков, О.Б Рудаков.

ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СВОЙСТВА ВОДНОГО РАСТВОРА СИЛИКАТА НАТРИЯ

Представлены результаты рентгенофазового анализа, термогравиметрии и растровой электронной микроскопии водного раствора силиката натрия, подвергнутого воздействию температуры в диапазоне 20–900 °С. Показано, что в интервале температур 20–900 °С водные растворы силиката натрия представляют собой преимущественно аморфную фазу, дегидратация в водном растворе силиката натрия начинается при 70 °С и прекращается при 400 °С. Процесс дегидратации продолжается в течение 70 минут с общей потерей массы до 52 %. Вспучивание в структуре водного раствора силиката натрия происходит в диапазоне температур 80–400 °С, при дальнейшем увеличении температуры наблюдается кристаллизация силиката натрия, объем вспученного состава уменьшается на 12,4 %. При 800 0С происходит раскристаллизация силиката натрия, наблюдается разрывы сплошности, слой пенококса полностью разрушается.

Ключевые слова: рентгенодифрактометрия, термогравиметрия, электронная микроскопия, силикат натрия, термическое воздействие.

Введение. Как показано в работах [1, 2] актуальной проблемой в строительстве и на транспорте является разработка и оптимизация составов термоогнестойких композиций. Способность водного раствора силиката натрия к самовспучиванию при нагревании определила необходимость его исследования как плёнко – и каркасообразующего связующего для термостойких вспучивающихся композиций (ТВК) [2].

Экспериментальная часть. Свойства силиката натрия, как пленкообразующего в ТВК, в интервале температур 20–900 °С исследовали методом дифференциальной термогравиметрии (ДТГ) на приборах METTLER TOLEDO, а также с помощью рентгенофазового анализа (РФА) на приборе ДРОН-3 и растровой электронной микроскопии (РЭМ), прибор JEOL.

Данные измерений на приборе METTLER TOLEDO указывают на экзоэффект при температуре 65–70 °С и эндоэффект при температуре 140 °С. Эти эффекты связаны с испарением свободной воды и образованием аморфной фазы кремнезема SiO2 nH2O.

Максимальная потеря воды у раствора силиката натрия по данным METTLER TOLEDO наблюдается в диапазоне температур 250–360 °С. При подъеме температуры со скоростью 10 °/мин дегидратация водного раствора силиката натрия, начинающаяся при температуре 70 °С, заканчивается при температуре 350 °С, т.е. процесс дегидратации продолжается в течение 70 мин. Основная часть свободной и структурно-связанной воды теряется через 40 мин в 3 этапа с потерей массы 7,6; 23,0 и 4,2 % соответственно. Общая потеря массы составляет 52 %. (см. рис. 1, 2).

Данные ДТГ согласуется с данными рентгенофазового анализа (РФА), которые свидетельствуют, что в интервале температур 20–900 °С водные растворы силиката натрия представляют аморфную фазу – симметричное гало с плохо выраженными рефлексами. С повышением температуры до 900 °С дифрактограмма силиката натрия практически выравнивается, гало становится несимметричным при практически полном отсутствии рефлексов соединений, образовавшихся при тепловом воздействии (рис. 3).

© Суровцев И.С., 2012

3

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

Сухой остаток жидкого стекла 68,7 % Сухой остаток жидкого стекла 62,5 % Сухой остаток жидкого стекла 35,1 % Сухой остаток жидкого стекла 16,5 %

Рис. 1. Изменение коэффициента вспучивания водного растворов силиката натрия с разной концентрацией в зависимости от температуры

Данные ДТГ и РФА согласуются с данными РЭМ, которая фиксирует вспучивание раствора силиката натрия в диапазоне температур 80–400 °С, а затем наблюдается кристаллизация и раскристаллизация силиката натрия. На рис. 4 представлен электронномикроскопический снимок вспучивания водного раствора силиката натрия при температуре 200 °С.

При увеличении температуры до 400 °С РЭМ регистрирует максимальное вспучивание (рис. 5). Поверхность подложки полностью закрыта вспененной массой силиката натрия, что подтвердилось экспериментальными исследованиями: коэффициент вспучивания силиката натрия максимален при температуре 350 – 400 °С, а затем начинается уменьшение объема вспененной структуры пенококса. При повышении температуры до 600 °С объем вспененного пенококса уменьшается на 12,4 %. Объясняется это наступающей кристаллизацией силиката натрия. Так, методом РЭМ (рис. 6) при температурном воздействии 600 °С зафиксировано начало процесса кристаллизации силиката натрия, расстояние между отдельными частицами силиката натрия достигает 2 мкм; поверхность защищаемой подложки оголяется.

При температуре 900 °С РЭМ фиксирует раскристаллизацию силиката натрия, образование пальчиковой структуры силиката натрия, поверхность кристаллической структуры трещиноватая, разрывы сплошности силикатно-натриевой структуры велики (рис. 7).

4

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

Выводы. Таким образом, водные растворы силиката натрия могут быть эффективным связующим для термостойких вспучивающихся композиций до 400 °С. При повышении температуры от 400 до 900 °С для этого связующего характерны процессы кристаллизации, последующей раскристаллизации и полного выгорания ячеистой структуры образующегося пенококса.

Список литературы

1.Суровцев И.С., Никулина Т.Д., Перцев В.Т., Рудаков О.Б., Калач А.В. Экспертная оценка пожарной опасности в строительстве и на транспорте // Судебная экспертиза. – 2006, №2. – С. 73-79.

2.Суровцев И.С., Никулина Т.Д., Рудаков О.Б. Оптимизация составов силикатной карбонатно-трепельной структуры при формировании термоогнестойких вспучивающихся покрытий строительных конструкций // Транспортное строительство. – 2008, №2, – С. 14-16.

________________________________________________________________________________

Суровцев Игорь Степанович ‒ д.т.н., профессор, ректор Воронежского государственного архитектурно-

строительного университета. Е-mail: vestnik_vgasu@mail.ru; тел.: (473) 2715268.

Никулина Татьяна Дмитриевна ‒ к.т.н., старший научный сотрудник кафедры физики и химии Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.

Поляков Владимир Анатольевич – аспирант кафедры физики и химии Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Е-mail: chemistry@vgasu.vrn.ru; тел.: (473) 2711617.

Рудаков Олег Борисович ‒ д.х.н., профессор, заведующий кафедрой физики и химии Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Е-mail: rudakov@vgasu.vrn.ru;

тел.: (473) 2-71-16-17.

7

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

УДК 541.64:678.01

С.А. Пополитова, Н.С. Мыльникова, Ю.С. Альбинская, Е.В. Снычева, С.С. Глазков

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТИ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ

Приведены результаты исследований свободной поверхностной энергии и трех ее составляющих – неполярной, кислотной и основной для древесины березы и полимерного модификатора на основе поливинилацетата. Установлены физико-механические и энергетические свойство модифицированной древесины, которые согласуются со структурными и функциональными особенностями материалов.

Ключевые слова: модификация, пропитка олигомеры, полимеры, физико-механические свойства древесных образцов, свободная поверхностная энергия и ее составляющие.

Введение. Энергетическое состояние поверхности играет определяющую роль в фундаментальных физических процессах адсорбции, хемосорбции, миграции адсорбированных частиц вдоль поверхности, химическом взаимодействии частиц вблизи раздела двух фаз и т.д. Качество композиционных материалов в большой степени определяется уровнем адгезионного контакта на границе раздела фаз «наполнитель – связующее», который в свою очередь зависит от характера межфазного взаимодействия [1, 2]. Однако природа этого взаимодействия очень сложна и до конца не выяснена [3-5].

Целью настоящих исследований являлось определение условий направленной химической модификации древесины различных пород изучение поверхностных энергетических характеристик древесного образца методом тестовых жидкостей. При достижении поставленной цели решались следующие задачи: выявление факторов, влияющих на воспроизводимость величины краевого угла смачивания; определение составляющих СПЭ исходных и модифицированных поверхностей твердых тел; выявление и анализ полученных зависимостей. В работе в качестве объектов исследования служили образцы древесины следующих пород: сосна, дуб и береза. Свойства исходной древесины представлены в табл. 1.

* - отношение частичного Pw или полного Р разбухание к влажности образца, %

Анализируя данные табл. 1, приходим к следующим интересным выводам.

© Пополитова С.А., 2012

8

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

Для приведенных пород древесины в ряду сосна, береза, дуб с увеличением плотности древесины происходит уменьшение пористости и соответственно удельного объема пустот, максимальной влажности и отмечается рост прочностных показателей, в частности, твердости торцевой. Однако коэффициент набухания, который может характеризовать формостабильность древесного материала, нарушает указанную закономерность.

Объемное набухание или изменение линейных размеров древесины в первую очередь зависит от изменения размеров клеточной стенки [6, 7], которые в свою очередь зависят, на наш взгляд, от состава компонентов клеточной стенки и их соотношения между собой. Так, для сосны характерно присутствие смолистых веществ, включающих производные терпенов, которые повышают устойчивость клеточных стенок к действию молекул воды, как путем закупорки смоляных ходов, так и возможной изоляции внешних клеточных стенок.

При изучении энергетических характеристик модифицированной поверхности твердых тел применялись тестовые жидкости с известными энергетическими характеристиками (вода, дийодметан, формамид) [8].

Методами исследования служили: метод Ван-Осс-Гуда (VOG) – метод тестовых жидкостей; стандартные (по ГОСТу) методы определения физико-механических показателей исходной и модифицированной древесины; прикладная программа “Mathcad”.

Согласно современным представлениям, свободную поверхностную энергию (СПЭ) любого тела можно представить в виде трех составляющих: неполярной – Лившица-Ван-дер- Ваальсовой ( LW) и двух полярных – кислотной ( +) и основной ( -). Соотношения между этими компонентами в определяющей степени влияют на поверхностные явления: смачивание, адсорбцию и адгезию. Взаимосвязь между отдельными компонентами СПЭ выражаются соотношениями (1) [9]:

(1)

Экспериментальная часть. В данной работе определение компонентов СПЭ исследуемых тел проведено с помощью метода Ван-Осс-Гуда или метода тестовых жидкостей. В основе метода лежит аддитивный характер дисперсионных сил, состояние равновесия между которыми на границе раздела трех фаз – жидкость, твердое тело и газ можно представить в виде схемы на рис. 1.

Рис. 1. Схема неподвижной капли на поверхности твердого тела (а), с указанием сил действующих на границе соприкосновения трех фаз (b): - поверхностное натяжение на границе жидкость – газ; - поверхностное

натяжение на границе твердое тело – газ; - поверхностное натяжение на границе твердое тело – жидкость; Liquid – жидкость; Solid – твердое тело; Vapor -газ; Strain field – область напряжения.

9

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

Нами были использованы следующие тестовые жидкости: неполярная – дийодметан и две полярных – вода и формамид с известными величинами СПЭ, которые представлены в табл. 2.

Баланс сил в точке трех фаз, представленный на рис. 2 положен в основу получения системы трех уравнений (2), ранее представленных в обзоре [9]. Данная система необходима для определения трех составляющих СПЭ исследуемой поверхности: неполярной LW и двух

где – СПЭ (для жидкостей поверхностное натяжение жидкостей), мДж/м2;

-верхний индекс LW – физические неполярные (Лившиц-Ван-дер-Ваальсовы) компоненты СПЭ, мДж/м2;

-θ – краевой угол смачивания поверхности твердого тела тестовой жидкостью, градус; нижний индекс «пробная» характеризует тестовую неполярную или инертную жидкость, то есть дийодметан;

-нижние индексы s и l указывают на принадлежность параметров к твердому телу или жидкости соответственно;

-нижние индексы 1 и 2 указывают на принадлежность параметров двум полярным тестовым жидкостям, например, воде и формамиду;

-верхние индексы + и – Льюисовы кислотные и основные компоненты поверхностного натяжения соответственно.

Впредварительных исследованиях были изучены представители различных классов полимеров и олигомеров, представленные в табл. 3.

10