Особое применение, находят композиты, в состав которых входит интеркалированный графит. Процесс его терморасширения под воздействием открытого пламени или нагрева приводит к образованию негорючего термоизоляционного покрытия с одновременным выделением СО и СО2, что замедляет и подавляет процесс горения. Подобные композиты в виде рулонных материалов, паст, красок получили название активных огнезащитных материалов [32,33]. Выпускаемые в настоящее время отечественные материалы (НПО ²УНИХИМТЕК²) используются для защиты электрических кабелей, создания противопожарных дверей и перегородок, огнезащиты строительных конструкций.
Весьма многообразные области применения ТРГ и материалов на его основе, уникальное сочетание свойств изделий, возрастающий спрос потребителей стимулируют развитие технологии производства и переработки интеркалированного графита. Сейчас интеркалированный графит промышленно получают преимущественно по химической технологии, окисляя углеродное сырье в концентрированных серной или азотной кислотах. Для этого в H2SO4 вводят дополнительно окислитель (K2Cr2O7, HNO3, KMnO7, H2O2 и др.), в азотной кислоте на процесс окисления графитовой матрицы тратится часть HNO3. В общем виде образование бисульфата (БГ) и нитрата графита (НГ) осуществляется по реакциям [22]:
24nC + Oxz + 3H2SO4® C+24n × HSO4- × 2H2SO4 + HOx(z-1) (2)
24nC + 5HNO3® C+24nNO3- × 3HNO3 + H2O + NO2 (3)
где n-ступень внедрения интеркалированного соединения; n=1; 2; 3; … и соответствует количеству углеродных слоев между слоями интеркалата. Для получения БГ и НГ I ступени (максимальное заполнение) потенциал окислительной среды (кислота + окислитель) должен быть не менее 1,6В относительно нормального водородного электрода (нвэ), что возможно реализовать лишь в высококонцентрированных кислотах. Как следует из реакций (2, 3) процесс интеркалирования заключается в заряжении графитовой матрицы (C+24n) за счет поглощения электронов с углеродных сеток окислителем и электростатическим втягиванием анионов кислоты в межслоевые пространства для нейтрализации положительного заряда. За счет водородных связей с анионом совнедряется 2-3 молекулы кислоты.
Химический способ достаточно прост в технологическом плане и приборном оформлении [34].
Высококачественные вспучивающиеся соединения интеркалирования графита.
Одним из наиболее интересных свойств соединений интеркалирования графита (СИГ) является их способность в десятки и сотни раз увеличивать свой объем при нагревании (вспучивается) с образованием терморасщепленного или вспученного графита (ТРГ)
Традиционно это свойство использовалось для получения ТРГ и изделий из него. Однако существующая другая обширная область практического использования СИГ – производство вспучивающихся огнезащитных покрытий, красок, уплотнений, огнетушащих составов, огнезащищенных полимерных композиций, изолирующих составов и смесей [16]. При этом от СИГ требуется в течение длительного времени сохранять способность к вспучиванию, в том числе в состав композиционных материалов, и вспучиваться при термическом воздействии. В отличии от СИГ для производства терморасщепленного графита, к которым представляется единственное требование – обеспечить низкую плотность графитовой пены, использование в противопожарной обороне требует наличия у СИГ набора специфических свойств. Наиболее значимыми для них являются: высокая стабильность, в том числе в составе композиций и материалов; низкая температура начала вспучивания; высокий коэффициент вспучивания при относительно низкой температуре (500°С).
Соединения интеркалирования графита с таким набором свойств, названные нами высококачественными вспучивающимися графитами (ВКВГ), обеспечивают высокую огнетушащую и огнезащитную эффективность средств противопожарной обороны, особенно при относительно низкой температуре.
Уникальное сочетание эксплуатационных свойств терморасширенного графита (ТРГ), таких как широкий диапазон рабочих температур, высокая химическая стойкость, прекрасная уплотняющая способность, способствуют устойчивому росту потребления уплотнений на его основе многими отраслями промышленности.
Как известно, терморасширенный графит для изготовления графитовых уплотнений получают из природного графита через стадию синтеза интеркалированного графита (ИГ).
В процессе получения ТРГ не только сохраняет все ценные свойства графита, но и приобретает новые: такие, как чрезвычайно низкая насыпная плотность, более развитая поверхность, способность к формованию (прокатке, прессованию) без добавления связующего [15-17]. Неармированные материалы и уплотнения из ТРГ устойчивы на воздухе до 500-550 °С [18,19], в среде водяного пара – до 650 °С, в инертной атмосфере – до 3000 °С; выдерживают термоудары, а также низкие температуры вплоть до -240 °С [20]. Эти материалы химически устойчивы, высокотеплопроводны, электропроводны [18].
Заключение
На основании информационного анализа, можно сделать вывод о том, что полимеры, в том числе и полиэтилен обладают уникальным комплексом свойств, не имеющих аналогов среди традиционных конструкционных материалов. В связи с этим, неуклонно растут темпы производства полимерных материалов и расширяются области их применения. Применение полимерных материалов имеет и негативную сторону, связанную с горючестью большинства полимеров. Поэтому во многих странах приняты стандарты, определяющие допустимый уровень горючести полимерных материалов, в таких отраслях как: транспортное машиностроение, электротехника, производство изделий бытового назначения, строительство. С помощью целенаправленного регулирования свойств полимеров, возможно получать материалы с заранее заданными свойствами, в том числе и пониженной горючестью. Работы по этому направлению ведутся давно, но в недостаточном количестве, т.к. это связано со сложностью поставленной задачи и необходимостью учитывать на только эффективность замедлителей горения, но и влияние используемых веществ на технологические, эксплуатационные свойства материалов, доступность замедлителей горения, экономические аспекты их производства и применения. Комплексное решение этих проблем в настоящее время на достигнуто, разработанные системы сложны и содержат добавки, оказывающие негативное влияние на физико-механические, теплофизические свойства и на окружающую среду.
Актуальность этой проблемы обусловлена наличием большого количества отходов химической и сельскохозяйственной промышленности, утилизация которых в настоящее время не проводится и использование которых в качестве наполнителей решает одновременно технологические и экологические проблемы.
Поэтому исследования в этой области являются актуальной задачей.
2. Исследовательскаячасть
2.1.1. Цель и задачи работы, объекты исследования
Целью работы является химическая модификация отходов сельскохозяйственного производства для создания на их основе материалов различного функционального назначения.
Объектами исследования являются:
1. Отходы обмолота проса (ООП).
ООП являются отходами, образующимися в процессе обмолота сельскохозяйственных культур (просяной крупы) и представляют собой разрушенную внешнюю оболочку, защищающую зерно.
Частички ООП имеют лепесткообразную форму со средними размерами: длина 3-4 мм, толщина 0,1 мм.
По химическому составу они представляют собой в основном крахмал, клетчатку и пентазан -70-80% [36,37], включают 13-14% воды и незначительное количество минеральных веществ.
Насыпная плотность измельченного ООП 174 кг/м3.
ООП не растворяются в воде, в кислотах обугливается, в минеральных кислотах – не растворяется, отмечено незначительное изменение массы в ледяной уксусной и концентрированной муравьиной кислотах.
2. Серная кислота (H2SO4) ГОСТ 127.1-93-127.5-93
3. Азотная кислота (HNO3) ГОСТ 701-89
2.2. Методы и методики исследования
Методики испытаний по ГОСТ
Физические, физико-химические и физико-механические свойства определяли в соответствии со стандартными методиками:
| -насыпная плотность (r) | ГОСТ 15139-71 |
| -водопоглощение-ситовай анализ | ГОСТ 4650-80ГОСТ 5954.2-91 |
Метод инфракрасной спектроскопии (ИКС) [35-37]
Для изучения взаимодействия компонентов композиций применяли метод инфракрасной спектроскопии (ИКС), выполняемый на приборе “Spekord” с приставкой “MJR-4” с призмой KRS-5 c 18 отражениями. Образцы готовили в виде таблеток, полученных прессованием при давлении 2 МПа.
Метод термогравиметрического анализа [38]
Изменения массы, скорости изменения массы и величины тепловых эффектов при воздействии на полимеры повышенных температур изучали методом термогравиметрического анализа с использованием дериватографа “Q-1500D” системы Паулик - Паулик – Эрдей [5].
Образцы массой 0,2 г нагревали в среде воздуха до 1000°С с постоянной скоростью нагрева - 10°/мин. Чувствительность по каналам ДТГ - 1mv; ТГ - 500 mv; ДТА - 500 mv. Точность измерения - 0, 1%.
Метод оптической микроскопии [39,40]
Микроскопические испытания проведены на микроскопе “ МБС-5” в прямом свете, с увеличением от 50 до 500 крат.
Метод определение насыпной плотности [41]
Насыпная плотность выражается массой единицы объема (кг/м3) свободно насыпанного материала.
Согласно ГОСТ 11035—64 испытуемый порошкообразный материал засыпают из конической воронки, укрепленной на штативе над измерительным цилиндром на расстоянии 20—30 мм. Объем измерительного цилиндра 100 см3, внутренний диаметр 45 мм. Цилиндр и воронку изготавливают из стекла или металла. Диаметр нижнего отверстия воронки 35 мм.