РОЗДІЛ 2
ОБ'ЄКТИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ
2.1. Об'єкти дослідження
У відповідності до мети та задач роботи по створенню гум з високим комплексом властивостей в якості інгредієнтів гумових сумішей досліджено цинк- та кремнійвмісні карбамідо-формальдегідні композиційні добавки (в подальшому скорочене позначення ZnКФО та SiКФО відповідно), стисла характеристика яких наведена у табл. 2.1 та 2.2.
Актуальність розробок ресурсозберігаючих схем синтезу нових композиційних сполук і пошук областей їх подальшого застосування на сьогодні очевидні, оскільки сучасне зростання промислового потенціалу, який супроводжується накопиченням значної кількості відходів, породжує ряд проблем екологічного характеру, що вимагають негайного вирішення.
ZnКФО - продукт вторинної переробки металовмісних відходів. Джерелами отримання ZnКФО є відходи, що уявляють собою шлами, відпрацьовані каталізатори ГІАП-10, розчини від цинкування та інша промислова вторинна сировина різного походження з вмістом цинквмісних сполук в перерахунку на ZnО 30-40%. Технологічна схема отримання дослідного продукту розроблена кафедрою технології неорганічних речовин УДХТУ і є частиною схеми переробки металовмісних відходів різних галузей промисловості.
Максимальний ступінь вилучення цинку (? Zn2+, %) = 95-98 і масове співвідношення гідроксиду цинку до карбамідо-формальдегідної складової в композиті (mZn(OH)2 : mКФО) = 1:0,7-1 досягається при дотриманні наступних технологічних параметрів: температура (Т, 0С) = 25-35; концентрація цинкових солей у розчині (с Zn2+, г/л ) = 150-170; рН розчину цинкових солей
Таблиця 2.1
Фізико-хімічні параметри ZnКФО
Найменування показникаВеличинаЗовнішній виглядПорошок білого кольору з розміром часток 0,3-6,0 мкмСпіввідношення неорганічної та органічної складової в композиті, %? 60/40Масова частка сполук Zn в перерахунку на Zn, %57,8Масова частка сполук Pb в перерахунку на Pb, %ВідсутніМасова частка вологи, %1,7Масова частка втрат при прокалюванні, %
(5000С ? 2 год)30,2Проба БельштейнаХлорвмісні сполуки відсутніЗалишок на ситі з сіткою 014 після просіву, %:- сухий просів1,6- вологий просів0,065
Таблиця 2.2
Фізико-хімічні параметри SiКФО
Найменування показникаВеличинаЗовнішній виглядПорошок білого кольору з розміром часток 0,3-6,0 мкмСпіввідношення неорганічної та органічної складової в композиті, %? 80/20Масова частка SiO2, %75,6Масова частка заліза в перерахунку на Fe2O3, %ВідсутніМасова частка алюмінію в перерахунку на Al2O3, %ВідсутніМасова частка вологи, %4,2Масова частка втрат при прокалюванні, %
(9000С ? 2 год)14,1Проба БельштейнаХлорвмісні сполуки відсутніЗалишок на ситі з сіткою 014 після просіву, %0,2
= 2; рН реакційного середовища при повному осаджуванні Zn2+ = 7-8; рН реакційного середовища при поліконденсації = 3-5; мольне співвідношення карбаміду до формальдегіду (nК : nФ) = 1:1 [101,102].
Визначення термічної стабільності Zn(OH)2, КФО та ZnКФО проводили методом диференційно-термічного аналізу на дериватографі "Q-1500 D" системи F. Paulіk, J. Paulіk, L. Erdey у температурному діапазоні 20-10000С зі швидкістю нагрівання 10 0С/хв і наважкою зразків 200 мг. Криві ДТА та ТГ дослідних продуктів наведені на рис. 2.1. Як видно, ендотермічний пік на кривій ДТА Zn(OH)2 і найбільша втрата маси при t ? 150 - 1600C обумовлені переходом гідроксиду в оксид. Криві ДТА КФО та ZnКФО мають зовнішню подібність за характером теплових ефектів, однак, для ZnКФО помітне зрушення максимумів в область менших температур. Так, піки при t ? 90 - 1000C обумовлені втратою атмосферної вологи, наявної в зразках. Ендотермічний максимум і найбільша втрата маси (? 35%) у температурній області 260 - 2700С характеризують топлення КФО, а вторинний екзотермічний пік при t ? 5600C, ймовірно, обумовлений наступним розкладанням вуглецю в зразку. На відміну від КФО на кривій ДТА ZnКФО первинний ендотермічний максимум спостерігається при t ? 170 - 1800C, а вторинний екзотермічний - при t ? 450 - 4600C, що характеризують розкладання органічної складової та вуглецю в ній. Поява нового ендотермічного піка в області t ? 8100C свідчить про розширення температурного діапазону процесу деструкції ZnКФО в порівнянні з КФО, оскільки температурний інтервал втрати маси для КФО становить 260 - 5600С, а для ZnКФО - 170 - 8100С, причому ZnКФО має значно більший залишок маси. Слід зазначити, що ZnКФО при термічному впливі розкладається, не досягаючи точки топлення, що було підтверджено методом визначення температури топлення в капілярі. При цьому візуально спостерігалося інтенсивне газовиділення та зміна кольору від білого до сірого при температурах 1700С та 2200С, що відповідають первинному ендотермічному піку на кривій ДТА.
Рис. 2.1 Результати дериватографічних досліджень Zn(OH)2, КФО та ZnКФО:
а - криві диференційно-термічного аналізу;
б - термогравіметричні криві
Для визначення дисперсності продукту та характеристики його поверхні було застосовано метод електронної мікроскопії (рис. 2.2 а). В якості об'єкту порівняння обрано відомі цинкові білила марки БЦОМ (рис. 2.2 б). Електронні знімки порошків свідчать, що дослідний композит та оксид цинку мають зовнішню схожість за формою часток, великий розкид за їх дисперсністю (0,4-6,0 мкм для оксиду цинку; 0,3-6,0 мкм для ZnКФО). ZnКФО містить в своїй структурі як кристалічну, так і аморфну фази, про що свідчить існування областей на знімку з забарвленням різної інтенсивності. Ймовірно, це пояснюється наявністю органічної складової в композиті. Для підтвердження цього припущення окремо для ZnКФО була знята мікродифракційна картина області, обмеженої селекторною діафрагмою (рис. 2.3). Як видно, кристалічна структура дослідного композиту на картині проявляється у вигляді чіткої білої плями, а аморфна - слаборозмитих сірих гало. Тобто структурна організація ZnКФО є переважно кристалічною, аніж аморфною.
Ідентифікацію ZnКФО здійснювали методо