CC BY
13СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА
Логанина В. И., д-р техн. наук, проф., Петухова Н. А., канд. техн. наук, доц., Акжигитова Э. Р., аспирант Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
РАЗРАБОТКА ОРГАНОМИНЕРАЛЬНОЙ ДОБАВКИ ДЛЯ СУХИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ СМЕСЕЙ
В статье приведены сведения о создании органоминеральной тиксотропной добавки для ССС на глине Пензенского региона. Установлены значения адсорбции ПАВ на поверхности глинистых материалов.
Ключевые слова: адсорбция, теплота смачивания, гидрофилизация, сухие строительные смеси, органоглина
Для регулирования реологических, технологических свойств красочных составов, сухих строительных смесей ССС и эксплуатационных свойств покрытий на их основе в рецептуру вводят тиксотропные добавки.
В настоящее время большая часть тиксо-тропных добавок поставляется из-за рубежа, что неизбежно ведет к удорожанию продукции, делает ее зависимой от зарубежных поставок составляющих. В связи с этим перспективным направлением при производстве таких добавок является использование местного сырья.
Нами предлагается изготавливать на основе глин Пензенского региона органоминеральные добавки, которые предлагается вводить в рецептуру красочных составов, сухих строительных смесей ССС с целью регулирования их реологических, технологических свойств и эксплуатационных свойств покрытий на их основе.
В настоящее время на рынке органомине-ральных добавок значительную долю занимает органобентонит - единственный отечественный аналог зарубежных органоглин (бентонов). Ор-ганобентонит представляет собой продукт взаимодействия бентонита с высокой обменной емкостью и четвертичной аммониевой соли опре-
деленного строения. Вместе с тем, объем выпуска органобентонита в России является недостаточным. В то же время, потребности его для производства ССС, при производстве буровых работ значительны. В России имеются значительные залежи глины, которую можно использовать для производства органоглин. Эта проблема представляет в настоящее время теоретический и практический интерес, так как решение ее позволяет значительно расширить рынок сырья, избавиться от зависимости поставок импортных добавок и т.д.
На территории Пензенской области имеется Воробьевское месторождение охристых глин, которое расположено в Шемышейском районе Пензенской области. Запасы глин подсчитаны по категориям B+C1 и составляют в количестве 429 тыс. т.
Химический состав глин следующий (в %): SiO2 -70,28 - 75,24; А12О3 - 10,70 -12,43; Fe2Oз - 6,57 - 8,21; п.п.п. - 4,91 -10,53. По гранулометрическому составу (табл.1) сырье характеризуется наличием глинистых фракций в количестве 51-65%, пылеватых -свыше 34%.
Таблица 1
Гранулометрический ^ состав глины
Размер фракций 0,05-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-10 10-20 20-50 50-100
Содержание,% 6,4 11,69 9,83 6,96 5,4 23,28 25,2 9,73 1,52
Анализ химического состава глины Воро-бъевского месторождения свидетельствует о перспективности разработки комплексной орга-номинеральной добавки, сочетающей в себе свойства пигмента и тиксотропной добавки.
При разработке технологии получения ор-ганоминеральной добавки в качестве органиче-
ского компонента применяли добавки ОП-4 и сульфанол марки В. Применяли глину удельной поверхностью S, равной 3108,37 см2/г. Концентрацию органической добавки устанавливали по изменению поверхностного натяжения раствора добавки, которое определяли капельным методом и вычисляли по формуле:
(1)
где св - поверхностное натяжение воды, Дж/м2; пв - количество капель воды в 1 мл; п - количество капель раствора в 1 мл. Для этого в воду вводили добавки ОП-4 и сульфанол с концентрациями от 0,01 до 3%. Через 10 минут после введения добавки проверялось поверхностное натяжение ср-ра полученного раствора и при состоянии ср-ра =соп81 в полученный раствор добавляли глину, раствор перемешивался и отстаивался в течение 5сут. После осаждения глины поверхностное натяжение проверялось заново. Результаты исследований приведены на рис. 1 и рис. 2.
Установлено, что адсорбция ОП-4 из раствора 0,5%-ной концентрации наступает спустя 96 ч, а сульфанола из раствора 0,1%-ной концентрации - 3 ч. На рис. 1 видно, что с увеличением концентрации добавок наблюдается повышение адсорбции. Так, при значение адсорбции добавки сульфанола составляет 0,088 г/г при концентрации раствора 0,1%, а при концентрации раствора 0,02% - 0,019 г/г. Значение адсорбции добавки ОП-4 составляет 0,645 г/г при концентрации раствора ПВА 0,7%. Изображенные на рис.1 изотермы адсорбции ПАВ свидетельствуют, что для Воробъевской глины, характеризующейся повышенным содержанием А12О3, замещение ионов А13+ на органические катионы происходит при высоких концентрациях добавок ПАВ в растворе.
в °'6
I 0,5 |°'4
а
I ^
к
п 0,1
20
40
60
80
100
Ч
-
-^ 2
1
120 140 Время, ч
Рисунок 1. Кинетика адсорбции ПАВ на Воробъевской глине: а - сульфанол: 1 - концентрация ПАВ 0,1%; 2 - концентрация ПАВ 0,2%; 3 - концентрация ПАВ 0,5%;
4 - концентрация ПАВ 0,7%; б - ОП-4: 1 - концентрация ПАВ 0,02%; 2 - концентрация ПАВ 0,05%; 3 - концентрация ПАВ 0,07%;
4 - концентрация ПАВ 0,1%
п
в
Ср-ра = С
в
п
а
б
0,5 0,6 0,7
Концентрация ПАВ, % Рисунок 2. Кинетика адсорбции ПАВ на Воробъевской глине в зависимости от его концентрации:
а - сульфанол; б - ОП-4
Различная адсорбционная способность Во-робъевской глины по отношению к добавкам сульфанола и ОП-4 обусловлена, очевидно, особенностями кристаллохимического строения минералов, входящих в состав глины.
Характер изотерм адсорбции ПАВ на Во-робъевской глине обусловлен высокой прочностью связи ионов катиона с поверхностью Воро-бъевской глины (рис.2). Для вытеснения их с поверхности необходима повышенная концентрация в растворе ионов ПАВ.
Поскольку сродство адсорбата к поверхности сорбента определяется главным образом начальным ходом изотермы [1], для описания
экспериментальных данных по адсорбции ПАВ на алюминиевой форме алюмосиликата (Воро-бъевской глине с повышенным содержанием ионов алюминия) использовали только начальный участок кривой (рис. 2).
Из полученных прямых графическим способом находили константу Ь уравнения Ленгмюра:
а =
арср 1 + ьс„
(2)
где а - величина адсорбции ионов,г/г;
а
б
ат - максимальная адсорбция, соответствующая полному покрытию поверхности минерала г/г;
Ь - константа, характеризующая адсорбиру-
емость ПАВ, —;
%
С - равновесная концентрация в растворе,
%.
Для этого строили график в координатах С / а — С . Значение максимальной адсорбции для сульфанола составляет аш = 1,224 г/г, для ОП-4 - 1,157 г/г. Результаты расчета показывают, что значение константы Ь для сульфа-
нола составляет Ь = 0,7909 —, для ОП-4 -
%
1
0,8263— . Полученные значения констант ад-
сорбируемости Ь свидетельствуют, что добавка ОП-4 более склонна к адсорбции на Воробъев-ской глине по сравнению с сульфанолом. Вычисленные из уравнения (2) значения константы Ь характеризуют только среднюю величину ад-сорбируемости применяемых ПАВ на поверхности алюмосиликата, так как поверхность глины является энергетически неоднородной.
Установлено, что адсорбция добавок суль-фанола и ОП-4 способствует гидрофилизации поверхности глины. В качестве критерия гидро-фильности глины применяли показатель теплоты смачивания и количество связываемой воды в системе. Относительное количество связываемой воды (А, %) рассчитывали по формуле:
А - 100%. Я
(3)
где 0СМ - теплота смачивания 1 г минерального порошка, Дж/г;
р - плотность связанной воды, г/м3; Н - толщина монослоя связанной воды, м; Я - полная поверхностная энергия системы вода-пар, Дж/м2.
Количество связанной воды рассчитывали при адсорбции добавки сульфанола из 0,1%-ного раствора. Величину эффективной удельной поверхности твердой фазы ^удэ) рассчитывали по формуле:
с -
с уд.э
0-см
Я
(4)
Результаты расчетов приведены в табл.2
Таблица 2
В лияние ПАВ на гидрофильность глины
Вид глины Теплота смачивания, Дж/г Количество Связанной воды, % Эффективная удельная поверхность, м2/г
Воробъевская, удельная поверхность Sуд=3108,37см2/г 96,7 25,55 833,6
Воробъевская, модифицированная сульфанолом, удельная поверхность Sуд=3975,81см2/г 83,3 22,01 718,1
Так, удельная теплота смачивания поверхности модифицированной глины 0см составляет
0см = 83,3 Дж/г, а необработанной глины - 96,7
Дж/г. Наблюдается уменьшение количества связанной воды и эффективной удельной поверхности.
Таким образом, проведенные исследования позволяют рекомендовать при изготовлении лакокрасочных материалов использование мест-
ных материалов, что позволит расширить сырьевую базу, снизить экономические затраты.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Изучение ионообменной адсорбции бу-тиламмонийхлорида на катионзамещенных формах монтмориллонита / Ф.Д. Овчаренко [и др.] // Физико-химическая механика и лиофиль-ность дисперсных систем, 1971. №3.С 8-13.
