научная статья по теме ЩЕЛОЧЕУСТОЙЧИВОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ БАЗАЛЬТОВОГО ВОЛОКНА Химия

Текст научной статьи на тему «ЩЕЛОЧЕУСТОЙЧИВОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ БАЗАЛЬТОВОГО ВОЛОКНА»

ФИЗИКОХИМИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЗАЩИТА МАТЕРИАЛОВ, 2013, том 49, № 6, с. 636-640

== НАНОРАЗМЕРНЫЕ И НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ

МАТЕРИАЛЫ И ПОКРЫТИЯ

УДК 676.46.029

ЩЕЛОЧЕУСТОЙЧИВОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ БАЗАЛЬТОВОГО ВОЛОКНА © 2013 г. В. А. Рыбин, А. В. Уткин, Н. И. Бакланова

Институт химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук Россия, 630128, Новосибирск, ул. Кутателадзе, 18 e-mail: baklanova@solid.nsc.ru Поступила в редакцию 18.10.2011 г.

С помощью золь-гель метода получены покрытия из диоксида циркония на базальтовом волокне. На основе изучения морфологических особенностей и элементного состава покрытий, полученных в различных условиях, определения механической прочности на растяжение индивидуальных волокон определены условия нанесения покрытий, позволяющие минимизировать негативное воздействие термической обработки и окислительной среды на свойства волокон. Исследована коррозионная устойчивость базальтовых волокон в сильнощелочной среде. Показано, что нанесение защитного покрытия из диоксида циркония улучшает коррозионную устойчивость базальтового волокна, при этом морфология и текстура покрытия из диоксида циркония имеют ключевое значение.

DOI: 10.7868/S0044185613060144

ВВЕДЕНИЕ

Базальтовое волокно (БВ) является важным компонентом многих современных строительных и конструкционных материалов. Оно имеет ряд характеристик, которые выгодно отличают его от стекловолокна по прочности, химической стойкости и температуре применения [1, 2]. В то же время, доступность и дешевизна сырья вместе с развитыми за последнее время технологиями и оборудованием для его производства позволяют обеспечить себестоимость промышленного производства БВ ниже уровня производства стекловолокна.

Наряду с использованием в качестве тепло- и звукоизоляции БВ широко применяется как армирующий наполнитель в композитах [2, 3]. Так, бетоны, армированные базальтовым волокном, демонстрируют более высокие механические свойства, по сравнению с железобетоном. Однако в процессе отверждения цементного камня образуется сильнощелочная среда, в которой базальтовое волокно подвергается коррозии [4, 5].

Существует несколько подходов повышения щелочестойкости БВ, в том числе, введение в цементную матрицу специальных добавок [6], изменение химического состава волокна путем добавления устойчивых к щелочи компонентов, например, диоксида циркония [7], а также нанесение защитных покрытий [8—10]. Из выше перечисленных подходов, последний представляется наиболее целесообразным. Действительно, в этом подходе вещество-протектор наносится на

поверхность волокна, а не распределяется по всему объему цементной матрицы или волокна, что предотвращает или сильно ограничивает контакт волокна с агрессивной средой цементной матрицы. В литературе есть несколько примеров использования данного подхода. Так, в работе [8] в качестве защитного покрытия использовался диоксид циркония, полученный золь-гель методом из металлоорганических прекурсоров. Использование хелатирующих добавок хотя и способствовало стабилизации исходного золя, однако эффективность защиты базальтового волокна с помощью ZrO2 покрытия при этом снижалась. В работе [9] для увеличения щелочестойкости БВ использовались покрытия состава ВаО—ТЮ2—8Ю2 или СаО— ВаО—ТЮ2—8Ю2, полученные золь-гель методом из металлорганических прекурсоров.

Цель настоящей работы — разработка и исследование покрытий из диоксида циркония, повышающих стойкость БВ в сильнощелочной среде.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В качестве исходных веществ были использованы отечественные базальтовые волокна марки ЯВ 13-2400^71 (НПО "Вулкан"). Средний диаметр монофиламента ~13 мкм. Для приготовления 0.1 М водно-спиртовых (соотношение 1 : 8) и водных золей (0.1 и 0.4 М) в качестве источника циркония использовали октагидрат оксохлорида циркония марки "х.ч." ^гОС12 • 8Н2О). Полиэти-ленгликоль (ПЭГ, среднее значение молекуляр-

Рис. 1а—г. Электронно-микроскопические снимки базальтового волокна: а — исходное волокно; б, в — после термообработки на воздухе при 800°С; г — после термообработки в вакууме при 800°С.

(а) , 10 мкм , (б) , 10 мкм ,

4 V V ш h '

(в) ,1 мкм, , ч 10 мкм (г) |-1

ной массы 20000 а.е.м) использовался в качестве поверхностно-активного агента и был добавлен в водно-спиртовые золи. Нанесение покрытий осуществляли путем погружения БВ в золь, с дальнейшим извлечением БВ из золя и просушкой на воздухе. Для удаления растворителя и формирования кристаллического ZrO2 покрытия проводилась термическая обработка в различных режимах (вакуум, лабораторный воздух, аргон).

Фазовый состав покрытий был изучен методом РФА в интервале углов 29: 5-90° (ДРОН-3, Россия, и D8Advance, Bruker, излучение Cu-Ka, A,j= 1.54056 А; = 1.54439 А). Полученные рентгенограммы были проиндицированы с помощью программного пакета Search-Match (Oxford Cryo-systems, Великобритания), с использованием базы данных PDF-2 [7]. Морфология, микроструктура и текстура исходных и модифицированных волокон были изучены с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) (SEM LEO 1430VP, Германия и TM-1000 Hitachi Ltd., Япония). Элементный микроанализ был проведен с помощью ЭДС-спектрометров INCA Energy 200 и Swifted-TM (Oxford Instruments Ltd, Великобритания)

Измерение разрывной прочности волокон проводили при комнатной температуре на разрывной машине FM-27 (Венгрия). Для проведения измерений 100 отдельных волокон каждого типа были вклеены в бумажные рамки так, что испытуемая длина каждого волокна составляла 10 мм. Диаметр каждого волокна был измерен на середине длины образца с помощью метода лазерной интерферометрии. После измерения диаметра рамка с испытуемым образцом закреплялась в зажи-

мах испытательной машины и разрезалась нагретой проволокой. На закрепленное в зажимах волокно подавалась механическая нагрузка со скоростью 1.3 мм/мин. Результаты измерений записывались в виде графика нагрузка—удлинение. Исходя из экспериментальных данных, были определены значения разрывной нагрузки и рассчитаны значения разрывной прочности для каждого образца. Набор экспериментальных значений разрывной прочности для каждого типа образцов был обработан при помощи одномодального двухпараметрического распределения Вейбулла.

ИК спектры волокон были записаны на ИК Фурье спектрометре Инфралюм ФТ-801 в области 550—5000 см-1 с разрешением 1 см-1.

Щелочное травление волокон осуществлялось путем погружения их в 2 М раствор гидроксида натрия марки ч.д.а., при этом соотношение масс волокно/раствор составляло 1 : 1000. Травление проводилось при комнатной температуре. Максимальный срок травления составил 32 дня. Отбор проб производился через 4, 8, 16 и 32 суток. Для удаления щелочи волокна после травления промывались дистиллированной водой до нейтральной реакции.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рисунке 1 а представлен СЭМ снимок исходного БВ. Из рисунка видно, что волокно имеет довольно гладкий и однородный рельеф. Для установления элементного состава методом мик-розондового анализа были исследованы поверхности разных индивидуальных волокон одной и той же партии, а также разные участки поверхно-

Таблица 1. Элементный состав исходного базальтового волокна по данным ЭДС спектроскопии (усредненные значения)

Элемент О 81 А1 Бе Са № МБ К Т1

Содержа-ние,% (масс.) 41.2 ± 4.6 25.1 ± 1.7 10.4 ± 0.4 8.0 ± 3.2 7.7 ± 1.4 3.0 ± 0.4 2.9 ± 0.2 0.9 ± 0.2 0.8 ± 0.2

сти одного и того же индивидуального волокна. Усредненные данные приведены в таблице 1.

Из таблицы видно, что элементный состав исходного волокна представлен, кроме остовообра-зующих элементов (81, А1), также щелочными (№, К) и щелочноземельными элементами (Са, Mg) (табл. 1). Кроме того, в состав волокна входит значительное количество железа и титана.

Процесс формирования защитного покрытия включает стадию термообработки волокна. Хотя существует довольно обширная литература по влиянию термообработки на свойства базальтовых и стеклянных волокон [см., например, 11— 14], однако принимая во внимание тот факт, что свойства базальтовых волокон различного происхождения могут сильно отличаться друг от друга, нами были проведены дополнительные эксперименты для изучения поведения БВ (НПО "Вулкан") при нагревании. Было установлено, что при нагреве на воздухе до температуры 500°С и выше волокно становится хрупким и приобретает кир-пично-рыжий оттенок, что, вероятно, связано с окислением ионов Fe2+ до Fe3+ [14]. Согласно данным рентгенофазового анализа, этот процесс сопровождается образованием на поверхности волокна кристаллических фаз сложного состава, например, авгита Ca(Mg,Fe,A1)Si2O6. Данные электронной микроскопии свидетельствуют об образовании на поверхности волокна большого количества хорошо ограненных кристаллов (рис. 1б, в). После нагревания БВ в вакууме до 800—1000°С цвет волокна не изменился. Однако такая термообработ-

Таблица 2. Прочность на растяжение исходных и обработанных в различных условиях базальтовых волокон

Тип БВ Разрывная Макс.

волокна прочность, ГПа удлинение, %

Исходное 4.5 ± 0.4 4.7

Аргон, 1 ч, 500°С 2.4 ± 0.2 4.0

Воздух, 1 ч, 500°С 1.9 ± 0.2 3.7

ка привела к спеканию индивидуальных волокон (рис. 1г).

Для исследования влияния термообработки на механические свойства было проведено измерение разрывной прочности базальтового волокна следующих типов: необработанное волокно; волокно, обработанное при 500°С на воздухе в течение 1 ч; волокно, обработанное при 500°С в инертной атмосфере в течение 1 ч. Результаты проведенных измерений приведены в таблице 2. В соответствии с полученными данными, термообработка волокна в инертной атмосфере и на воздухе приводит к снижению его механической прочности на 47 и 58%, соответственно. По-видимому, этот эффект обусловлен образованием зародышей кристаллических фаз на поверхности волокна, которые являются причиной появления механических напряжений и инициаторами разрушения волокна при механических испытаниях.

Таким образом, экспериментальные результаты свидетельствуют о негативном воздействии кислородсодержащей атмосферы и высоких температур на свойства базальтового волокна, а именно, обраб

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

Пoхожие научные работыпо теме «Химия»