научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СОСТАВА ГИДРАТИРОВАННЫХ ОКСИДОВ ХРОМА НА ИХ ЭЛЕКТРОРЕОЛОГИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ Химия

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СОСТАВА ГИДРАТИРОВАННЫХ ОКСИДОВ ХРОМА НА ИХ ЭЛЕКТРОРЕОЛОГИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ»

УДК 661.875023-13

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СОСТАВА ГИДРАТИРОВАННЫХ ОКСИДОВ ХРОМА НА ИХ ЭЛЕКТРОРЕОЛОГИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ

© 2015 г. Л. С. Ещенко*, Е. В. Лаевская*, Е. В. Коробко**, Н. А. Бедик**

*Белорусский государственный технологический университет 220006 Минск, ул. Свердлова, 13а **Институт тепло- и массообмена имени А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси

220072 Минск, ул. П. Бровки, 15

E-mail: laevskaja@belstu.by Поступила в редакцию 02.07.2014 г.

Получены рентгеноаморфные гидратированные оксиды хрома переменного состава, суммарное количество молей воды в которых, в зависимости от условий осаждения и старения, составляет 4.0—4.9. Установлено присутствие, кроме структурной воды в виде ОН-групп, прочно связанных гидратных молекул воды, отщепление которых происходит в интервале температур 60—300°C. Исследована электрореологическая активность суспензий на основе частично дегидратированных оксидов хрома. Электрореологический эффект растет при увеличении количества молей воды в дисперсном оксиде и повышении температуры суспензии.

DOI: 10.7868/S0023291215030106

ВВЕДЕНИЕ

Одним из эффективных методов достижения высоких значений показателей электроструктурирования диэлектрических суспензий является использование водосодержащей дисперсной фазы, обеспечивающей миграционную (или поверхностную, межфазную, дипольно-релаксационную) поляризацию ее частиц [1, 2]. Согласно [3—5], электрореологическую активность (ЭРА) способны проявлять некоторые гидратированные оксиды, в частности, кремния, железа, алюминия, титана и другие, в которых вода играет роль активатора. При этом отмечено, что на инициирование электроструктурирования суспензий существенное влияние оказывают молекулы воды, связанные водородной связью с поверхностью гидратиро-ванного оксида. Гидратированные оксиды поливал ентных металлов, являющиеся капиллярно -пористыми коллоидными телами, характеризуются многообразием форм связи воды и представляют значительный интерес в качестве дисперсной фазы электрореологических суспензий (ЭРС).

Разнообразием состава и свойств отличаются гидратированные оксиды хрома, которые являются трудно кристаллизующимися соединениями и склонны к химическим и фазовым превращениям в процессах осаждения, старения и термообработки. Согласно литературным данным, состав и свойства гидратированных оксидов хрома зависят от условий получения, в том числе, и от природы исходной соли хрома. Осажденный гидратированный оксид хрома имеет перемен-

ный состав Сг203 • пН20, в котором мольное соотношение Н2О : Сг203 колеблется от 9.0 в рентге-ноаморфном продукте до 3.0 и 1.0 в кристаллических Сг(ОН)3 и СгООИ, соответственно. Цвет его различен — от светло-голубого до черного с зеленым оттенком и определяется значениями рН осаждения, температуры старения и термообработки. Отмечено [6], что свойства осажденного гидроксида хрома зависят от содержания в нем воды и степени дисперсности частиц. Согласно [7], предложено различать следующие типы воды в гидратированных оксидах хрома: структурную, в форме ОН--групп, являющихся элементом кристаллической решетки гидроксида или оксигид-роксида и связанных с катионами металла ионной (частично ковалентной) связью; неструктурную, в виде адсорбированных молекул Н20, образующих с ОН--группами водородную связь, а также локализованную в межслоевом пространстве кристаллической структуры. Имеются данные [8] о применении гидратированного оксида хрома в качестве дисперсной фазы ЭРС, однако влияние его состава, в частности, содержания и типа Н2О, на проявление электрореологического эффекта не обсуждается.

Целью работы явилось исследование влияния состава и свойств гидратированных оксидов хрома, полученных в системе соль хрома—МН40Н—Н20, на проявление электрореологического эффекта в диэлектрических суспензиях на их основе.

Таблица 1. Условия получения и результаты исследования гидратированных оксидов хрома

Результаты исследования осадков, высушенных при 60°C до постоянной массы

№ об- свежеосажденный осадок условия старения осадок после старения

разца химический состав скорость отстаивания, мл/мин T, °C продолжительность, ч химический состав фазовый состав скорость отстаивания, мл/мин размер частиц, мкм

1 Cr2O3 • 6.0H2O • • 0.63SO4- 0.08 100 Cr2O3 • 4.9H2O • • 0.05SO4- образцы рентге-ноаморф-ны 3.20 6.14

2 Cr2O3 • 5.70H2O • 0.10 100 16 Cr2O3 • 4.7H2O • • 0.05NO2 3.30 5.46

3 • 0.43NO2 160 Cr2O3 • 4.0H2O • • 0.01NO2 3.70 4.51

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Гидратированные оксиды хрома получали методом непрерывного химического осаждения из хромсодержащих растворов с последующим старением осадка под жидкой фазой, образующейся в исследуемой системе, отмывкой, сушкой и термической обработкой. В качестве исходных реагентов использовали Cr2(SO4)3 • 6Н2О, Cr(NO3)3 • 9Н2О и водный раствор NH3 с концентрацией 25.0 мас. %. Значение pH среды составляло 9.0—9.5, температура — 20—25°C, концентрация раствора соли хрома — 1.0 моль/л. Осадок отмывали проточной, а затем дистиллированной водой до отсутствия в

2_ _

промывной воде ионов SO4 или NO3.

Химический анализ образцов проводили по методикам, описанным в [9]. Содержание хрома в пересчете на Cr2O3 в синтезированных соединениях определяли сплавлением образца с содой в платиновых тиглях с последующим выщелачиванием серной кислотой и титрованием солью Мора. Содержание сульфат-ионов находили осаждением хлоридом бария с последующей отмывкой и прокаливанием осадка сульфата бария, нитрат-ионов — восстановлением нитратного азота до оксида азота(2+) сульфатом железа(2+) в кислой среде с последующим титрованием избытка FeSO4 раствором перманганатом калия, воды — гравиметрическим методом. По результатам химического анализа определяли мольное соотношение компонентов, на основании чего рассчитывали брутто-состав синтезированных образцов.

Анализ фазового состава гидратированных оксидов хрома осуществляли с помощью дифракто-метра D8 Advance (Bruker-AXS, Германия). Для изучения процесса их дегидратации использовали анализатор влажности MA 30 (Sartorius, Германия) и термоаналитическую систему TGA/DSC-1/1600 HF (Mettler Toledo Instruments, Швейцария).

Электрореологическую суспензию получали смешением трансформаторного масла (дисперсионная среда) и гидратированного оксида хрома (дисперсная фаза). Для приготовления модельных суспензий с содержанием Сг203 • пИ20 10.0 и 30.0 мас. %, порошок оксида растирали с маслом (приливая его по каплям) в агатовой ступке в течение 1.5—2.0 ч до однородной консистенции системы.

Экспериментальную оценку ЭРА суспензий осуществляли по значениям прироста напряжения сдвига при воздействии внешнего электрического поля напряженностью от 0 до 3.0 кВ/мм. Опыты проводили при комнатной температуре в ячейке-конденсаторе соосно-цилиндрического типа с помощью ротационного вискозиметра ИЬео1е81 2.1 в диапазоне скоростей сдвига 1.5— 674.9 с-1. Измеряли также ток утечки через зазор ячейки и определяли его плотность в различных режимах испытаний. Структурно-реологические свойства суспензий с содержанием дисперсной фазы 30.0 мас. % при повышенной температуре исследовали с помощью виброреометра.

Условия осаждения и результаты исследования отмытых и высушенных осадков гидратирован-ных оксидов хрома представлены в табл. 1. Согласно этим данным, в результате химического осаждения образуются рентгеноаморфные продукты состава Сг203 • хА • пИ20, где А — 804 или

N0-. Характерно, что содержание И20 в осадках, полученных из хромсульфатных растворов, выше по сравнению с осадками, образующимися в системе Cr(N03)3—NH40H—H20. Поскольку твердая фаза образуется в системе соль хрома—основание—вода вследствие процессов гидролиза соли хрома и конденсации комплексных ионов, то из-за неполного гидролиза в свежеосажденных осадках содержатся сульфат- и нитрат-ионы. В результате старения осадков, сопровождающегося рядом физико-химических процессов, содержа-

Потеря массы, %

50 100 150 200 250 300 350

T, °C

Рис. 1. ДСК-кривая для образца № 1 (см. табл. 1) гид-

ратированного оксида хрома.

ние сульфат- и нитрат-анионов и воды уменьшается, увеличивается размер частиц до 4.0—6.0 мкм, возрастает скорость отстаивания (табл. 1). Согласно рентгенофазовому анализу, гидратированные оксиды хрома, независимо от условий их осаждения и старения, являлись рентгеноаморфными.

На рис. 1 представлена кривая дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) для образца № 1 (см. табл. 1), которая практически аналогична ДСК-кривым для образцов №№ 2 и 3. Согласно рис. 1, в температурном диапазоне 50— 300° C наблюдается ряд эндотермических, накладывающихся друг на друга эффектов, связанных с отщеплением энергетически неравноценных молекул Н2О, входящих в состав рентгеноаморфного гидратированного оксида хрома. В области первого широкого размытого эндоэффекта (80—130°С) удаляются, в основном, молекулы Н2О капиллярного конденсата. Молекулы Н2О, образующие более прочные связи с поверхностью оксида хрома, отщепляются в области второго (130—160°C) и третьего (235—295°C) эндотермических эффектов. Наличие последующего широкого эндотермического эффекта обусловлено отщеплением структурных ОН-групп, в результате чего формируется структура Сг203, которая рентгенографически идентифицируется уже при 500°С.

Кривые сушки образцов №№ 1—3 гидратиро-ванного оксида хрома практически идентичны. Как следует из данных, приведенных на рис. 2, количество воды, удаляемой в изотермических условиях, существенно зависит от температуры обработки. При повышении температуры на 20°C потеря массы образцом увеличивается на 2.0—3.0 мас. %. Прогрев гидратированных оксидов хрома в изотермических условиях при 100, 120, 140 и 160°C сопровождается образованием устойчивых при данных значениях температуры оксидов, содержащих, согласно экспериментальным данным, 32.3, 29.3 и 26.6 мас. % Н2О, что соответствует 4.7, 4.2 и 3.8 молям Н2О, соответственно. Исходя из полученных результатов,

0 5 10 15 20 25

Время, мин

Рис. 2. Зависимость потери массы образцом № 2 (см. табл. 1) гидратированного оксида хрома от продолжительности нагревания при температуре 100 (1),

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком