Зв’язуючі речовини органічного походження

Питання, що виносяться на лекцію:

Агрегатні стани органічних зв’язуючих, параметри, що характеризують склоподібний, високоеластичний (пластичний) та текучий стан зв’язуючого, складові групового хімічного складу органічних зв’язуючих, важливіші фізико-хімічні характеристики найбільш поширених органічних зв’язуючих.

Найпоширенішими зв’язуючими органічного походження є високомолекулярні з'єднання, отримані при хімічній переробці нафти, вугілля, сланців та інших природних полімерів з молекулярною масою тисяча і більше. Залежно від температурних і механічних впливів вони можуть перебувати в трьох агрегатних станах: склоподібному, високоеластичному і текучому.

Склоподібний стан характеризується здатністю зв’язуючих до значних деформацій. Він проявляється в макромолекулах, в яких переважають рухливі ланки. Основні константи склоподібного стану - температура розм'якшення, пенетрація та розтяжність

Високоеластичний стан визначає особливу рухливість макромолекул від температурних впливів. У цьому стані зв’язуючі мають здатність до значних зворотних деформацій. Вони характеризуються проявом рухливості окремих ділянок макромолекули при збереженні в цілому її стабільного положення. Високоеластичний стан визначається температурою плавлення.

Текучий (в’язкотекучий) стан характеризується необоротними деформаціями, що приводять до правдивої течії. Зв’язуючі в цьому стані - рідини. Оцінку текучого стану дають по температурі гранично зруйнованої структури та плинності.

Температура розм'якшення — це мінімальний температурний інтервал, при якому зв’язуючі ще залишаються агрегативно твердими, але у фазовому стані з'являється певна аморфність. По цьому параметрі встановлюють режим пресування. Температура розм'якшення визначається стандартними методами «Кільце і шар» або «Кільце і стрижень».

Пенетрація — це величина, що характеризує твердість зв’язуючих. Вона визначається при заданій температурі (частіше 25° С) по ступеню проникнення в зв’язуюче стандартної голки. Одиниця пенетрації дорівнює 0,1 мм.

Розтяжність — це здатність зв’язуючих витягатися в нитці при певній температурі (частіше 25° С). Одиниця розтяжності - см. Розтяжність побічно характеризує скліючу здатність.

Температура плавлення — це температура каплевиділення у зв’язуючих в стандартних умовах. Вона характеризує максимальний рівень високоеластичного стану.

Температура спалаху — це температура, при якій відбувається спалах газів, що виділяються, та пару у суміші з повітрям при піднесенні полум'я певної довжини. При цьому зв’язуючі не повинні запалюватися і горіти.

Плинність — здатність зв’язуючих текти під дією власної маси при температурі, що перевищує температуру плавлення

Температура гранично зруйнованої структури — це температура, при якій зв’язуючі переходять в істинно текучий стан, тобто стають ньютоновськими рідинами. При цій температурі досягається найбільш ефективне розпилення зв’язуючого та наступне його розтікання по твердій поверхні. Тривале перебування зв’язуючих при такій температурі погіршує їх скліючу здатність.

У хімічному відношенні зв’язуючі являють собою гетероорганічні високомолекулярні з'єднання (ВМС). Вони мають складний состав і структуру, утворені з вуглеводнів та їх неметалічних похідних. Вуглеводневі комплекси (масла, смоли, асфальтени) визначають груповий хімічний склад органічних високомолекулярних зв’язуючих.

Масла - найбільш низькомолекулярні вуглеводневі гібриди. Вони надають зв’язуючим рухливість, плинність і служать джерелом утворення смол. Адгезійна активність у масел незначна. Вуглеводневий состав масел у різних зв’язуючих неоднаковий.

Смоли - вуглеводневі з'єднання, молекулярна маса яких займає проміжне положення між маслами та асфальтенами. Вони мають порівняно високу поверхневу активність. З підвищенням температури до 200 - 300° С переходять в асфальтени. Смоли знижують температуру розм'якшення, підвищують еластичність і сприяють термічній стійкості зв’язуючих.

Асфальтени - вуглеводневі з'єднання, що мають найвищу молекулярну масу. Їх розглядають як дві-три узагальнені молекули смол. Основною властивістю асфальтенів, що надає їм високу адгезійну активність та еластичність, є здатність розчинятися в мальтенах (суміш масел і смол). Асфальтени забезпечують твердість, температурну стійкість, полярність і спікливість.

Крім основних компонентів в органічних зв’язуючих у тій або іншій кількості можуть бути присутніми з'єднання типу карбонів і карбоїдів, а також вільні кислоти. Карбени і карбоіди порушують у зв’язуючих однорідність, але підвищують спікливість. Кислоти сприяють посиленню поверхневої активності адгезивів.

Нафтозв’язуюче – являє собою важкий залишок від переробки смолистих нафт, що має характерні властивості ВМС. Нафтозв’язуюче при температурі навколишнього повітря перебуває у твердому стані. Має кольори від чорного до темно-бурого. Основні фізико-механічні характеристики його наведені в табл.2.1.

Таблиця 2.1.- Основні фізико-механічні характеристики нафтозв’язуючого і кам'яновугільного пеку.

Параметр	Нафтозв’язуюче	Кам'яновугільний пек
Щільність, кг/м^3	1045-1060	1250-1290
Пенетрація при 25° С, мм	15-20	1-3
Розтяжність при 25° С, див	5-7
Когезія при 25° С, Н/м^2	(1,55-1,65)×10^5	(2,2-2,4)×10^5
Температура, °С:
- розм'якшення	70-75	80-85
- плавлення	102-103	105-108
-гранично-зруйнованої структури	180 - 200	210 - 220
-спалаху	210-220	230-240
В'язкість, Па×с:
при 100° С	50 - 80	30 - 50
при 200° С	0,5 - 1	0,8 - 1

Типовий груповий хімічний склад афтозв’язуючого наведений у табл. 2.2.

Кам'яновугільний пек. Це твердий, тендітний продукт чорних кольорів з раковистим зламом. Він відноситься до важких залишків перегонки кам'яновугільної смоли коксування, отриманих при температурі 360-380° С. У хімічному відношенні це складна структурована гетерогенна система. Основні фізико-хімічні характеристики та груповий состав кам'яновугільного пеку наведено в табл. 2.1 й 2.2.

Таблиця 2.2 - Груповий хімічний склад Нафтозв’язуючого та

кам'яновугільного пеку

Компоненти	Нафтозв’язуюче	Кам'яновугільний пек
Карбени і карбоіди	0,1-0,3	28-31
Асфальтени	20-25	3-6
Смоли	28-30	28-35
Масла:
парафино-нафтеновые вуглеводні	13,5-19,5	1 5-2,5
ароматичні вуглеводні легкі та середні	20,1-23,5	21-24
важкі	8-11	8-11
Асфальтогенові кислоти	1,3-1,6	—
Ангідриди асфальтогенових кислот	0,1	—
Неорганічні з'єднання (зола)	0,1-0,2	0,2-0,3

 

Як сировину для виробництва кам'яновугільного пеку застосовують кам'яновугільну смолу. В окремих випадках смола може використатися як зв’язуюче. Кам'яновугільна смола - це чорно-бура рідина, що містить до 10% вільного вуглецю у вигляді карбенів і карбоідів, інша частка - складні ароматичні і гетероциклічні з'єднання з невеликим включенням неграничних вуглеводнів. В результаті термічного крекінгу смола розділяється на самостійні фракції, кінцева з яких - пік.

Направлене модифікування кам'яновугільного пеку здійснюють шляхом компаундування (змішання) з дистилятами і відходами смолоперегонки. Токсичність кам'яновугільного пеку обмежує його область застосування при брикетуванні. Зниження шкідливої дії пеку досягається термічною обробкою брикетів.

Сульфіт-спиртова барда (ССБ). Це побічний продукт (відхід) при переробці здрібненої деревини на целюлозу, що містить не більше 20-30% води. У хімічному відношенні висока в'язка здатність ССБ обумовлена наявністю кальцієвих, натрієвих та амонієвих солей лігносульфонових кислот - активних ПАР.

Фізико-хімічні властивості ССБ залежать від якості деревини татехнології її переробки. Найбільш ефективні рідкі бардяні концентрати (КБЖ) із сульфіт-дріжджової бражки з вмістом сухих ССБ 44-50% і тверді бардяні концентрати (КБТ), у яких вміст останніх досягає 80%.

Наявність у ССБ великого числа різних функціональних груп сприяє активному закріпленню цього зв’язуючого на твердій поверхні, швидкому висиханню та тонкослоєвому розтіканню по поверхні субстрату з утворенням міцних адсорбційних зв'язків. Ці процеси активізуються при нагріванні. Однак застосування сульфіт-спиртової барди в якостізв’язуючого обмежено. Брикети, виготовлені із цих зв’язуючих, неводостійкі і мають великий вміст сірки. Перша обставина пов'язана з надмірною розчинністю ССБ у воді. Підвищити водостійкість брикетів можна присадкою до брикетної суміші невеликих кількостей каустичного магнезиту Mg, cyхогашеного вапна (пушонки) СаОН, гідроксида глинозему Аl(ОН)_з або глини. Сірка в ССБ негативно впливає на наступну переробку рудних і вугільних брикетів. Тому, якщо витрати зв’язуючого великі, ССБ необхідно знесірювати шляхом повільної упарки.

Гумати є продуктом добування гумінових кислот з вугілля. Як зв’язуючі добре зарекомендували себе гумати натрію і амонію. Гумати натрію одержують висалюванням гумінових кислот хлористим натрієм. Для цього в лужний розчин гумінових кислот вводять хлористий натрій. В результаті хімічних реакцій гумати натрію випадають в осад (висалюються). Останній відокремлюють фільтруванням.

Гумати амонію являють собою продукт аміачної витяжки окисленого кам'яного або бурого вугілля. Промислова технологія їх одержання заснована на реакції взаємодії водяного розчину аміаку з вугіллям.

Гуминові кислоти по своїй структурі відносяться до колоїдних речовин з великим вмістом функціональних груп. Одна з найбільш значних їх складових - фенольні структури (50-60%). У цих кислотах велика частка вуглецю, зосередженого в основному в ароматичних фрагментах (20-26%), а також бензолполікарбонових кислот (до 30%). Молекулярна маса гуминових кислот коливається від десятків до сотень тисяч, підтверджуючи їх високомолекулярну основу.

Сланцеві бітуми - це залишковий продукт комплексної переробки смоли, що одержуюють при газифікації горючих сланців. Сланцева смола, пройшовши вакуумний відгін, утворює різні продукти фракціонування. При температурі вище 325° С утворюються сланцеві мазути та важкий залишок - бітуми. Останні мають властивості, близькі до нафтових бітумів і кам'яновугільних пеків. Ці зв’язуючі відрізняються високою клеєвою здатністю, твердістю (когезія дорівнює 1,9^.10⁵ Н/м²) і гідрофобністю. Брикети, отримані на сланцевих бітумах, відрізняються підвищеною міцністю, водо- та термостійкістю.

Смола напівкоксування (первинна смола, дьоготь) є основним продуктом термічного розкладання вугілля без доступу повітря при температурах, що не перевищують 550°С. Смола напівкоксування - це темно-бура в’язка рідина. У хімічному відношенні вона являє собою складну суміш органічних високомолекулярних з'єднань.

Смола напівкоксування знайшла застосування як зв’язуюче при брикетуванні коксової шихти. Отримані брикети змішуються з основною масою коксової шихти (приблизно 70-75%) і направляються для коксування. Для виготовлення вугільних і рудних брикетів, що йдуть для спалювання та плавку, смола напівкоксування малоефективна. У цьому випадку її рекомендується піддати термічній переробці, використавши в якості зв’язуючого важку фракцію.

Фуси напівкоксування - це відходи вуглехімічного виробництва при напівкоксуванні. Вони представлені на 50% смолами важких фракцій і твердих вуглецевих включень. Утворюються фуси при конденсації парогазових продуктів у попередніх холодильниках напівкоксування вугілля. Фуси відносяться до категорії відходів - продуктів, вихід яких становить близько 1% маси вугілля, що переробляється. По зовнішньому вигляду фуси - густа в’язка смола темно-коричневих кольорів. Їх хімічний склад визначається сумішшю смол та вуглецевих продуктів. Фуси відрізняються низькою температурою розм'якшення. Легко окисляються. Цьому сприяє наявність у них великої кількості напівкоксового пилу з розвитий пористою поверхнею.

Для підвищення адгезійної здатності фуси додатково термічно переробляють або окисляють киснем повітря. У цілому кам'яновугільні фуси мають більш низьку зв’язуючу здатність, чим фуси напівкоксування. Їх витрати при брикетуванні становлять близько 15 % (фуси напівкоксування- 11%, кам'яновугільний пек - 7-9%).

Контрольні питання.

1. Якими показниками характеризується склоподібний стан органічного зв’язуючого.

2. Якими показниками характеризується пластичний стан органічного зв’язуючого.

3. Якими показниками характеризується текучий стан органічного зв’язуючого.

4. Складові групового хімічного складу органічних зв’язуючих.

5. Характеристики найбільш поширених органічних в’язуючих.

 

ТЕМА № 3