Свободное набухание частиц глинополимерных композитов
Приведены результаты экспериментального исследования свободного набухания частиц глинополимерных композитов массой 15-100 мг в воде. Установлено, что в композитах на основе катионных полиакриламидов происходит неограниченное набухание образцов. Частицы композитов с анионными полиакриламидами имеют б...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Збірник наукових праць Інституту геохімії навколишнього середовища |
|---|---|
| Datum: | 2011 |
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут геохімії навколишнього середовища НАН України та МНС України
2011
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/32259 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Свободное набухание частиц глинополимерных композитов / Ю.Г. Федоренко, А.Н. Розко, Б.П. Злобенко, Г.П. Павлишин // Збірник наукових праць Інституту геохімії навколишнього середовища. — К. : ІГНС, 2011. — Вип. 19. — С. 87-94. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-32259 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Федоренко, Ю.Г. Розко, А.Н. Злобенко, Б.П. Павлишин, Г.П. 2012-04-15T13:52:10Z 2012-04-15T13:52:10Z 2011 Свободное набухание частиц глинополимерных композитов / Ю.Г. Федоренко, А.Н. Розко, Б.П. Злобенко, Г.П. Павлишин // Збірник наукових праць Інституту геохімії навколишнього середовища. — К. : ІГНС, 2011. — Вип. 19. — С. 87-94. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. XXXX-0098 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/32259 678.019.25:[553.611.6:678.744.842] Приведены результаты экспериментального исследования свободного набухания частиц глинополимерных композитов массой 15-100 мг в воде. Установлено, что в композитах на основе катионных полиакриламидов происходит неограниченное набухание образцов. Частицы композитов с анионными полиакриламидами имеют более высокую степень ограниченного набухания, зависящую от концентрации полимера, степени его гидролиза и молекулярной массы. Показана возможность создания композитов на основе щелочноземельных бентонитов. Наведено результати експериментального дослідження вільного набухання глинополімерних композитів у воді на частинках масою 15 — 100 мг. Встановлено, що у композитах на основі катіонних поліакриламідів відбувається необмежене набухання частинок. Частинки композитів з аніонними поліакриламідами мають більш високий ступінь обмеженого набухання, що залежить від концентрації полімеру, ступеня його гідролізу та молекулярної маси. Показано можливість створення композитів на основі лужноземельних бентонітів. The results of experimental studies of free swelling of clay-polymer composites in water on particles at weight 15 — 100 mg were presented. It was found out, that unlimited swelling samples takes place when using cationic polyacrylamides in composites. Particles of composites with anionic polyacrylamides have higher degree of limited swelling which depends on concentration of the polymer, degrees of its hydrolysis and molecular weight. The possibility of creating composites based on alkaline earth bentonites is shown. Авторы выражают благодарность ООО «Биохимсервис» (г.Полтава) за предоставленные образцы полимеров для проведения данной работы. ru Інститут геохімії навколишнього середовища НАН України та МНС України Збірник наукових праць Інституту геохімії навколишнього середовища Свободное набухание частиц глинополимерных композитов Вільне набухання частинок глинополімерних композитів Free swelling of clay-polymer composites Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Свободное набухание частиц глинополимерных композитов |
| spellingShingle |
Свободное набухание частиц глинополимерных композитов Федоренко, Ю.Г. Розко, А.Н. Злобенко, Б.П. Павлишин, Г.П. |
| title_short |
Свободное набухание частиц глинополимерных композитов |
| title_full |
Свободное набухание частиц глинополимерных композитов |
| title_fullStr |
Свободное набухание частиц глинополимерных композитов |
| title_full_unstemmed |
Свободное набухание частиц глинополимерных композитов |
| title_sort |
свободное набухание частиц глинополимерных композитов |
| author |
Федоренко, Ю.Г. Розко, А.Н. Злобенко, Б.П. Павлишин, Г.П. |
| author_facet |
Федоренко, Ю.Г. Розко, А.Н. Злобенко, Б.П. Павлишин, Г.П. |
| publishDate |
2011 |
| language |
Russian |
| container_title |
Збірник наукових праць Інституту геохімії навколишнього середовища |
| publisher |
Інститут геохімії навколишнього середовища НАН України та МНС України |
| format |
Article |
| title_alt |
Вільне набухання частинок глинополімерних композитів Free swelling of clay-polymer composites |
| description |
Приведены результаты экспериментального исследования свободного набухания частиц глинополимерных композитов массой 15-100 мг в воде. Установлено, что в композитах на основе катионных полиакриламидов происходит неограниченное набухание образцов. Частицы композитов с анионными полиакриламидами имеют более высокую степень ограниченного набухания, зависящую от концентрации полимера, степени его гидролиза и молекулярной массы. Показана возможность создания композитов на основе щелочноземельных бентонитов.
Наведено результати експериментального дослідження вільного набухання глинополімерних композитів у воді на частинках масою 15 — 100 мг. Встановлено, що у композитах на основі катіонних поліакриламідів відбувається необмежене набухання частинок. Частинки композитів з аніонними поліакриламідами мають більш високий ступінь обмеженого набухання, що залежить від концентрації полімеру, ступеня його гідролізу та молекулярної маси. Показано можливість створення композитів на основі лужноземельних бентонітів.
The results of experimental studies of free swelling of clay-polymer composites in water on particles at weight 15 — 100 mg were presented. It was found out, that unlimited swelling samples takes place when using cationic polyacrylamides in composites. Particles of composites with anionic polyacrylamides have higher degree of limited swelling which depends on concentration of the polymer, degrees of its hydrolysis and molecular weight. The possibility of creating composites based on alkaline earth bentonites is shown.
Авторы выражают благодарность ООО «Биохимсервис» (г.Полтава) за предоставленные образцы полимеров для проведения данной работы.
|
| issn |
XXXX-0098 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/32259 |
| citation_txt |
Свободное набухание частиц глинополимерных композитов / Ю.Г. Федоренко, А.Н. Розко, Б.П. Злобенко, Г.П. Павлишин // Збірник наукових праць Інституту геохімії навколишнього середовища. — К. : ІГНС, 2011. — Вип. 19. — С. 87-94. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT fedorenkoûg svobodnoenabuhaniečasticglinopolimernyhkompozitov AT rozkoan svobodnoenabuhaniečasticglinopolimernyhkompozitov AT zlobenkobp svobodnoenabuhaniečasticglinopolimernyhkompozitov AT pavlišingp svobodnoenabuhaniečasticglinopolimernyhkompozitov AT fedorenkoûg vílʹnenabuhannâčastinokglinopolímernihkompozitív AT rozkoan vílʹnenabuhannâčastinokglinopolímernihkompozitív AT zlobenkobp vílʹnenabuhannâčastinokglinopolímernihkompozitív AT pavlišingp vílʹnenabuhannâčastinokglinopolímernihkompozitív AT fedorenkoûg freeswellingofclaypolymercomposites AT rozkoan freeswellingofclaypolymercomposites AT zlobenkobp freeswellingofclaypolymercomposites AT pavlišingp freeswellingofclaypolymercomposites |
| first_indexed |
2025-11-25T22:16:58Z |
| last_indexed |
2025-11-25T22:16:58Z |
| _version_ |
1850561977003278336 |
| fulltext |
87
678.019.25:[553.611.6:678.744.842]
Федоренко Ю.Г., Розко А.Н., Злобенко Б.П., Павлишин Г.П.
Институт геохимии окружающей среды
СВОБОДНОЕ НАБУХАНИЕ ЧАСТИЦ ГЛИНОПОЛИМЕРНЫХ
КОМПОЗИТОВ.
Приведены результаты экспериментального исследования свободного набухания частиц
глинополимерных композитов массой 15-100 мг в воде. Установлено, что в композитах на
основе катионных полиакриламидов происходит неограниченное набухание образцов. Частицы
композитов с анионными полиакриламидами имеют более высокую степень ограниченного
набухания, зависящую от концентрации полимера, степени его гидролиза и молекулярной массы.
Показана возможность создания композитов на основе щелочноземельных бентонитов.
Введение
Основными компонентами глинополимерных композитов (ГПК) являются
щелочные бентонитовые глины и полимерные материалы: полиакриламид(ПАА), Na —
карбоксиметилцеллюлоза и другие [1]. Образцы ГПК при содержании полимера до 1%
обладают способностью сорбировать химические вещества, в том числе и радионуклиды,
а в набухшем состоянии имеют более высокое, по сравнению с бентонитовыми глинами,
статическое напряжение сдвига [2, 3].
В отличие от щелочной бентонитовой глины, микрочастицы которой, переходя в
гель при набухании, теряют свою компактность, постепенно размываются и, соединяясь
друг с другом, образуют единую гелеподобную массу, частицы ГПК, благодаря армиру-
ющему действию макромолекул полимера при набухании, длительное время находятся
раздельно одна от другой.
Набухание ГПК обусловлено особенностью их структуры (рис.1).
Рис. 1. Схематическое изображение структуры ГПК
Композит состоит из микрочастиц (агрегатов) бентонита, среди которых находятся
скопления макромолекул ПАА (флокул) [5]. Размер флокул и агрегатов, их компактность,
разветвленность и т.д. зависят от длины, формы и степени гидролиза молекул полимеров,
концентрации макромолекул полимеров в композитах и т.д., а также от условий полу-
чения ГПК – интенсивности и длительности механического перемешивания, характера
взаимодействия молекул полимеров с поверхностью глинистых частиц и др.
При получении композита мономеры могут полимеризоваться также между крис-
таллитами бентонита (правая верхняя часть рисунка) [4].
88
При контакте с жидкостью в образцах ГПК происходят процессы, приводящие к уве-
личению их массы и объема за счет набухания, с одной стороны глинистых кристаллитов,
а с другой — полимерных флокул. Природа этих процессов разная. Набухание полимеров
происходит вследствие проникновения молекул воды во флокулы гибких молекул поли-
мера, заполнения свободного пространства между макромолекулами полимера, раздви-
гания звеньев его цепей, ослабления межмолекулярного взаимодействия и разрыхления
полимера. Расстояние между молекулами во флокулах полимера становится большим,
увеличивается объем флокул, а, следовательно, объем всего образца [5].
Набухание бентонита определяется способностью к набуханию в воде его основно-
го компонента — Na-формы монтмориллонита, количество которого в бентоните коле-
блется в пределах 60 – 95 %. В рамках химической модели набухания определяющая его
максимальная межслоевая пористость пропорциональна количеству слоев в кристаллите
и удельной поверхности максимально набухших кристаллитов [6]. В случае свободного
набухания изменение объема образца эквивалентно изменению межслоевой пористости.
Отсюда следует, что набухание бентонита пропорционально толщине исходных кристал-
литов монтмориллонита и их размерам в набухшем состоянии, т.к. размеры кристаллитов
определяют удельную поверхность образцов.
Важную роль в набухании ГПК играют поверхностные явления на границах раздела
фаз: глина — вода и глина — полимер. Природа этих явлений требует отдельного рассмо-
трения, так как катионные ПАА при контакте с поверхностью глинистых частиц образу-
ют сильную связь за счет взаимодействия между отрицательно заряженными центрами
на поверхности глинистых частиц и положительными участками полимерных молекул.
В этом случае можно предполагать, что образуются микроагрегаты (микрофлокулы),
сформированные из микрочастиц бентонита и макромолекул катионных ПАА.
Микроагрегаты слабо связаны друг с другом, проникновение молекул воды внутрь этих
микроагрегатов затрудняется. Поэтому следует ожидать, что образцы таких композитов
будут набухать меньше, чем образцы исходного бентонита и легко разрушаться при по-
падании молекул воды между микроагрегатами.
Молекулы анионных ПАА взаимодействуют с агрегатами бентонита за счет
водородных связей с ОН-группами на их поверхности и в композите объединяют друг с
другом относительно большое количество агрегатов. При вхождении молекул воды в ком-
позит будет увеличиваться его объем за счет проникновения молекул в межслоевое про-
странство глинистых кристаллитов. Так как часть молекул полимера (или их фрагменты)
будут присутствовать в образцах в виде флокул, то набухание таких композитов может
превосходить показатели набухания глины. Следовательно, свойство ГПК набухать в воде
или растворах имеет сложную природу, что следует учитывать при создании композитов.
При практическом применении ГПК в составе барьерных материалов (вместе с песком
и щебнем), а также в смесях, повышающих влагоемкость почв и уменьшающих коэффициент
фильтрации, предполагается их использование в виде частиц массой от 0,5 мг до 50 – 80 мг.
Для этого необходимо изучить их поведение при контакте с водой и, в первую очередь, при
свободном набухании, зависимость кинетических характеристик набухания от размеров час-
тиц, влияние на набухание особенностей строения полимеров, входящих в состав ГПК и др.
Подготовка образцов и методика эксперимента
Образцы ГПК готовились путем смешивания водной дисперсии щелочного бен-
тонита с растворами линейных ПАА соответствующей концентрации. Щелочной бен-
тонит получен из щелочноземельного черкасского бентонита путем добавления в смесь
раствора углекислого натрия. Соотношение Т:Ж составляло 1:5,35±0,10. Из образовав-
шегося композита вода удалялась при температуре около 30 °С.
Для изучения набухания частиц ГПК опробовались методы, с помощью которых
исследуются набухающие глины [7, 8]. Часть этих методов характеризует так называемое
«гелевое» число, при определении которого навеску образца в виде дисперсного порошка
перемешивают с водой в течение некоторого времени и отстаивают до образования четкой
границы раздела вода — гель. В частности, для определения индекса набухаемости бен-
89
тонита 2 г высушенного дисперсного образца помещают в стеклянный цилиндр объемом
100 мл, в него вливается вода, после чего образец перемешивают не менее 10 минут. После
16 – 24 часов отстаивания измеряется высота столбика геля [9]. Этим методом оценивают
набухание бентонита (монтмориллонита), частицы которого при контакте с водой, на-
бухая, соединяются друг с другом и образуют визуально однородный гель. В этом случае
практически невозможно определить какая доля жидкости вошла внутрь микрочастиц, а
какая заполняет пространство между микрочастицами.
Методики, предполагающие размещение изучаемых образцов в цилиндрах с
сетчатым дном [10,11], оказываются малопригодными для изучения набухания ГПК, по-
скольку после контакта с первыми порциями воды, прошедшими через сетку, мелкие
частицы ГПК набухают и перекрывают пути поступления воды к другим частицам. Про-
цесс свободного набухания частиц нарушается и переходит в стадию, когда набухание ли-
митируется диффузией молекул воды через гидрогель композита.
Применение методики изучения набухания глин [12] также не приводит к удовлет-
ворительным результатам. Поэтому практически единственным методом изучения набу-
хания композитов является проведение опытов с отдельными частицами малых размеров.
Было изучено набухание в воде частиц ГПК массой 15 – 100 мг. В состав ГПК входи-
ли анионные или катионные ПАА с характеристиками, приведенными в таблице 1.
Таблица 1. Характеристика линейных ПАА, использованных для создания ГПК
Марка ПАА Тип ПАА Степень гидролиза, % *Молекулярная масса
× 106
А60712 Анионный 7 12
А61414 –″– 14 14
А62414 –″– 24 14
А62424 –″– 24 24
А64026 –″– 40 26
К83912 Катионный 39 12
К84812 –″– 48 12
К85610 –″– 56 10
Набухание частиц оценивалось по увеличению их объема или массы. Степень на-
бухания по массе (водоудержание) определялось из выражения [5]:
(1)
где: — степень набухания по массе, отн. ед.; m – масса частицы после набухания;
m0 – масса исходной частицы. В общем случае степень набухания по массе показывает,
сколько воды может поглотить один грамм образца.
Вычислялась также степень набухания по объему:
(2)
где: η – степень набухания по объему, отн. ед.; V0 – начальный объем частицы; V –
конечный объем частицы.
Для приближенной оценки кинетических характеристик набухания частиц ГПК,
которые спустя некоторое время начинают разрушаться, был выбран следующий подход.
При проведении опытов по изучению кинетики набухания было замечено, что сте-
пень набухания и время связаны следующей зависимостью:
(3)
90
где: – степень набухания, по массе, отн.ед.; t – время от начала проведения
эксперимента, а, b – постоянные, зависящие от условий проведения экспериментов.
Практика показала, что коэффициент корреляции между экспериментальными
и вычисленными по этой зависимости значениями степени набухания по массе со-
ставляет 0,95 ÷ 0,99. Это позволило использовать данную зависимость для вычисления
максимальных значений степени набухания, необходимых для определения кинетичес-
ких параметров процесса набухания.
Набухание в воде частиц ГПК массой 15 – 100 мг продолжается длительное вре-
мя, в течение которого наблюдаются: проявление неоднородного распределения ПАА в
микрообъемах, влияние неравномерной плотности набухающих частиц, вызванное усло-
виями сушки, проникновение воды между микроагрегатами, растворение полимера, вхо-
дящего в композит, образование микротрещин и т.д. На конечной стадии свободного на-
бухания, когда в частицы войдет достаточное количество воды, постепенно снижается их
механическая прочность, могут увеличиваться микротрещины, происходит отделение от
образца мелких фрагментов и др. Но это не означает, что процесс набухания остановил-
ся. Он продолжается, но усложняется доступность его оценки, поскольку взвесить такие
образцы сложно, так же, как и учесть потери, возникающие при извлечении образца из
жидкости, где происходило его набухание. В этом случае не всегда удается оценить мак-
симальную степень набухания особенно ГПК, содержащих катионные ПАА.
Если воспользоваться уравнением (3) и условно принять за максимальное набуха-
ние такую величину, при которой в течение последующего часа масса частицы увеличи-
вается не более чем на 1%, то этот подход позволит сравнивать максимальное набухание
различных по составу и массе частиц ГПК на основании одной и той же методики.
Практически задача сводится к получению постоянных а и b из (3) в интервале вре-
мени при визуально ненарушенной форме набухающих частиц и вычислению времени
набухания, удовлетворяющего поставленному условию, по уравнению:
(4)
(5)
(6)
Затем рассчитывается максимальная степень набухания:
Полученное значение максимальной степени набухания использовалось для
вычисления константы скорости набухания частиц по уравнению формальной кинетики
для необратимых процессов:
где: max — максимальное значение степени набухания частиц по массе, отн. ед.;
t — время набухания, с;
k — константа скорости набухания, с-1.
Несмотря на некоторую условность применения этого уравнения для изучения про-
цесса набухания частиц композитов, оно позволяет, используя данные для частиц разной
массы, экстраполировать их в область малых размеров частиц и приближенно оценивать
скорость их набухания при близких значениях степени набухания. Оценка набухания
малых частиц имеет практическое значение в том случае, если композиты использовать
как сорбенты, частицы которых при внесении в загрязненные воды, должны набухать в
течение короткого интервала времени. При этом их плотность будет существенно умень-
шаться и они могут, набухая в жидкости, более длительное время находиться во взве-
шенном состоянии, а не оседать сразу на дно как многие природные сорбенты (глины,
цеолиты и т.д.), имеющие плотность частиц около 2,6 г/см3.
91
Измерения выполнялись следующим образом. Образцы композита (частицы) изо-
метричной формы (плоские и продолговатые не использовались) (табл. 2, 3) помещались
в чашки Петри с дистиллированной водой. Спустя некоторое время набухающий образец
извлекался сетчатой лопаткой, обсушивался снизу через отверстия в лопатке на филь-
тровальной бумаге. Часть влаги сверху также удалялась фильтровальной бумагой. После
взвешивания образца вычислялась степень набухания по массе. Далее процесс повторял-
ся, но уже с другой частицей, имеющей такую же исходную массу.
Для измерения степени набухания по объему необходимо было предварительно
провести опыты по определению плотности частиц в жидкости, не вызывающей набу-
хания образца, в качестве которой был выбран керосин, имеющий для большинства ве-
ществ малый краевой угол смачивания, заполняющий поры в образце, но не входящий
в межслоевое пространство кристаллитов монтмориллонита. Образцы известной массы
насыщались керосином, определялся объем частиц, и рассчитывалась их плотность. Дру-
гие образцы того же состава и массы набухали в воде практически до завершения процес-
са, после чего определялись их масса и объем после набухания. Первоначальный объем
этих частиц рассчитывался с использованием найденной плотности.
Погрешности при измерении возникали вследствие неполного удаления влаги,
особенно, если при набухании в частицах возникали трещины, из которых вода удаля-
лась не полностью. В этом случае происходило некоторое завышение массы набухших
образцов. С другой стороны, отдельные образцы частично разрушались; от набухаю-
щих частиц отделялись небольшие фрагменты, которые к тому же могли быстрее набу-
хать и частично распадаться. Все это приводило к занижению измеряемой массы. При
изучении кинетики набухания отмечалось, что если в образце возникала трещина, но
образец до конца не разрушался, то скорость набухания двух составляющих частей
образца, имеющих меньшую массу, увеличивалась и приближалась к скорости набу-
хания таких образцов с первоначально малой массой.
Результаты и обсуждение
При сравнении набухания в воде частиц ГПК на основе катионных и анионных ПАА
нами установлено, что их поведение существенно различается. Композиты на основе
катионных ПАА демонстрируют неограниченное набухание — процесс не останавлива-
ется, а медленно продолжается, происходит дальнейшее поглощение жидкости, частицы
постепенно распадаются, а вокруг набухающих частиц ПАА образуется гелевидный ореол
из отделившихся микрочастиц (микроагрегатов).
Частицы композитов на основе анионных ПАА, особенно с содержанием полимера
более 0,2 %, проявляют ограниченное набухание, т.е. набухание, не переходящее в ра-
створение (разрушение), а заканчивающееся образованием эластичного гидрогеля, дли-
тельное время сохраняющего четкую границу поверхности раздела: гидрогель — вода. В
этом случае между глинистыми агрегатами за счет макромолекул анионных ПАА уста-
навливается такая связь, которая связывает агрегаты глины в частицы композита [13, 14].
Это дает возможность изучать набухание отдельных частиц ГПК от начала и до за-
вершения процесса.
Данные, полученные при изучении кинетики набухания разных по массе образ-
цов ГПК, содержащих одно и то же количество катионного ПАА (0,13 %) с разной сте-
пенью гидролиза (39 — 56 %) и близкими молекулярными массами (1,0•106 — 1,2•106)
приведены в таблице 2.
Сопоставление степени набухания по массе и степени набухания по объему образ-
цов ГПК, содержащих разное количество катионных ПАА, существенно отличающихся
степенью гидролиза, приведены в таблице 3.
Анализ кинетики набухания ГПК на основе катионных ПАА (табл. 2) показал, что
с уменьшением массы частиц скорость набухания возрастает и можно предполагать, что
при массе частиц 0,5 – 5,0 мг она будет составлять около (1,0 – 2,5)•10-3с-1. При увеличе-
нии степени гидролиза катионных ПАА при молекулярной массе (1,0•106 — 1,2•106) ско-
рость набухания частиц массой 16÷25 мг уменьшается, в то время как набухание частиц
92
массой 90÷100 мг имеет тенденцию к небольшому возрастанию.
Таблица 2. Скорость набухания частиц ГПК
Концентрация
ПАА в
композите, %
Марки ПАА, входящих в состав композитов
К83912 К84812 К85610
m1, мг К1∙10-4, с-1 m2, мг К2∙10-4, с-1 m 3, мг К3∙10-4, с-1
0,13 16,0±0,5 8,04±3,20 15,0±0,6 4,76±2,71 25,0±0,5 3,53±1,49
−″− 38,0±0,5 2,00±0,58 38,0±0,5 3,21±1,05 49,5±0,9 1,70±0,53
−″− 90,0±0,5 1,43±0,28 90,0±0,5 1,50±0,51 99,7±0,9 1,87±0,57
Примечание: m1-3 — средняя масса частиц до набухания; К1-3 — константы скорости
набухания частиц по массе.
Аналогичная зависимость константы скорости от массы частиц наблюдается и при
набухании частиц ГПК на основе анионных ПАА. Ограниченное набухание этих частиц
позволило проанализировать зависимость степени набухания от времени реакции. Пер-
воначально до относительной степени набухания / max=0,08±0,01 скорость набухания
наиболее высокая и, скорее всего, отражает проникновение в частицы воды по микропо-
рам. Для изучаемых размеров частиц этот процесс продолжается (6•102–1,2•103)с. Затем
до / max=0,6±0,01 процесс идет с постоянной скоростью. При дальнейшем увеличении
/ max константа скорости постепенно снижается и после / max>0,8±0,1 замедляется в
несколько раз. Эта тенденция наблюдается для всех размеров изучаемых частиц.
Между степенью набухания по массе и степенью набухания по объему частиц, со-
хранивших в набухшем виде свою компактность, на основании данных, приведенных в
таблице 3, получено следующее соотношение:
(7)
(8)
где η — степень набухания по объему; — степень набухания по массе.
Результаты изучения набухания частиц ГПК массой 95 – 103 мг, содержащих
анионные ПАА, приведены в таблице 4. По сравнению с композитами на основе катионных
ПАА отмечается значительно большее значение степени набухания по массе и объему. Во
всех случаях увеличение количества ПАА в композите приводит к увеличению степени
набухания. Используя результаты таблицы 4, было получено выражение:
где: η — степень набухания частиц по объему, отн. ед; С — концентрация ПАА
в композите, %.
Это уравнение показывает, что увеличение концентрации анионного ПАА в компо-
зите при его создании имеет смысл только до определенных значений, выше которых оно
себя не оправдывает. Так, например, при концентрации ПАА в композите 0,5% степень
набухания частиц ГПК по объему составляет 21,3, а при увеличении количества ПАА до
1% степень набухания дополнительно возрастает всего на 3%. Из таблицы 4 получено,
что степень набухания по объему частиц композитов в 2,38±0,08 раза больше степени на-
бухания по массе. Таким образом, при одинаковой степени набухания по массе частицы
композитов с анионными ПАА имеют объем в 1,3 раза превышающий объем таких же
частиц с катионными ПАА.
93
Таблица 3. Набухание глино-полимерных композитов на основе катионных ПАА
М
ар
ка
П
А
А
в
Г
П
К
К
он
ц
ен
тр
ац
и
я
П
А
А
в
Г
П
К
, %
Жидкость для насыщения
керосин вода
Н
ач
ал
ьн
ая
м
ас
са
ча
ст
и
ц
, м
г
М
ас
са
ч
ас
-
ти
ц
п
ос
ле
н
ас
ы
щ
ен
и
я
, м
г
О
бъ
ем
и
сх
од
н
ы
х
ча
ст
и
ц
, с
м
3
Н
ач
ал
ьн
ая
м
ас
са
ча
ст
и
ц
, м
г
М
ас
са
н
аб
ух
ш
и
х
ча
ст
и
ц
, м
г
О
бъ
ем
н
аб
ух
ш
и
х
ча
ст
и
ц
, с
м
3
С
те
п
ен
ь
н
аб
у-
ха
н
и
я
п
о
м
ас
се
,
от
н
. е
д.
С
те
п
ен
ь
н
аб
ух
а-
н
и
я
п
о
об
ъе
м
у,
о
тн
.е
д.
К 84812
0,07 100 102 0,05 100 370 0,30 2,70 5,0
0,13 100 103 0,05 96 450 0,38 3,70 6,9
0,28 98 99 0,05 100 533 0,42 4,30 7,2
К 83912
0,07 99 101 0,05 99 510 0,36 4,15 6,2
0,13 101 102 0,05 99 503 0,40 4,03 7,2
0,28 102 103 0,05 100 495 0,43 3,95 7,8
К 85610
0,07 96 104 0,05 102 585 0,45 4,74 7,5
0,13 98 106 0,05 100 590 0,50 4,90 8,8
0,28 100 106 0,06 104 490 0,42 3,71 5,7
(9)
Анализ данных таблицы 4, показывает, что степень набухания частиц по объему
зависит как от концентрации анионного ПАА в композите, так и от степени гидролиза
и молекулярной массы полимера. Степень набухания частиц массой 95 — 103 мг может
быть вычислена по следующему уравнению:
где: η — степень набухания ГПК по объему, отн.ед.; С — концентрация полимера в
ГПК,%; χ — степень гидролиза, %; М — молекулярная масса.
Отсюда следует, что повысить степень набухания можно при использовании в
составе композитов анионных ПАА с низкой степенью гидролиза и небольшой моле-
кулярной массой.
Таблица 4. Набухание ГПК в воде в зависимости от концентрации ПАА
Концентрация
ПАА в ГПК, %
Марки ПАА в составе ГПК
А60712 А61414 А62414 А62424 А64026
1 η1 2 η2 3 η3 4 η4 5 η5
0,07 5,9 15,3 7,2 16,3 6,3 14,8 6,7 14,9 5,1 12,5
0,09 6,3 15,7 8,0 19,0 6,8 16,4 8,4 18,2 5,5 13,3
0,10 7,0 15,8 7,9 18,1 7,7 18,5 8,7 17,9 5,1 12,5
0,13 8,5 21,2 8,5 18,3 8,5 19,4 8,0 19,3 5,6 12,5
0,17 9,1 21,0 8,3 19,3 8,3 19,4 8,6 20,4 5,6 14,4
0,21 8,3 20,7 8,5 18,6 9,0 21,5 7,7 18,7 6,2 14,1
Примечание: 1-5 — степень набухания по массе; η1-5 — степень набухания по объему.
Следует подчеркнуть, что все анализируемые в статье композиты, созданы на
основе щелочноземельного бентонита Черкасского месторождения бентонитовых и
палыгорскитовых глин Украины. Для перевода этого бентонита в щелочной необходимо
было заменить межслоевые катионы Са++ и Мg++ в бентоните катионами Na+. Это мож-
но сделать несколькими способами: предварительно ввести катионы Na+ в бентонит, а
затем бентонитовый гель смешивать с раствором ПАА или ввести катионы Na+, пред-
варительно смешав порошок бентонита с раствором ПАА. Второй путь оказался более
предпочтительным, поэтому все ГПК, о которых идет речь в данной статье, готовились
именно таким способом, в одних и тех же условиях. Полученные результаты являются
сопоставимыми и справедливыми для данных условий получения ГПК.
94
Выводы
Установлено, что свободное набухание ГПК может быть детально исследовано пу-
тем проведения экспериментов на частицах массой 15 – 100 мг при их контакте с водой.
Скорость набухания композитов с уменьшением массы частиц увеличивается, а при мас-
се частиц 0,5 – 5,0 мг может составлять (1,0 – 2,5)•10-3с-1.
Показано, что степень набухания частиц ГПК по массе зависит от концентрации,
степени гидролиза, а также от молекулярной массы линейных анионных ПАА
В результате изучения набухания частиц ГПК отмечается, что по показателям на-
бухания ГПК, в состав которых входят анионные линейные ПАА, превосходят таковые
с катионными ПАА. Следовательно, первые являются перспективными для разработки
новых разновидностей композитов и создания сорбирующих, активно фильтрующих
техногенных барьеров на основе щелочноземельных бентонитов. Однако набухание час-
тиц таких композитов невелико, т.к. при содержании ПАА до 0,3% этот процесс в значи-
тельной степени определяется набуханием глинистой компоненты
Авторы выражают благодарность ООО «Биохимсервис» (г.Полтава) за предо-
ставленные образцы полимеров для проведения данной работы.
1. Григорян С.С., Гулакян К.А., Шахназаров А.А. Способ получения полимер-минерального композита.
А.C. СССР №1707052 А1. Бюл. №3. 23. 01.92.
2. Бородин Л.П., Коваленко В.Н., Дехта А.А. К вопросу создания противофильтрационных барьеров на
основе кавеласта // Проблемы Чернобыльской зоны отчуждения. Вып. 2. — 1995. — С. 70-74.
3. Федоренко Ю.Г., Задвернюк Г.П., Злобенко Б.П. Створення композитних екранних матеріалів для
пунктів тимчасової локалізації РАВ у зоні відчуження. Міжнар. конфер. Двадцять років Чорнобильської
катастрофи. Погляд у майбутнє. 24-26.04.2006 р. Киев. Збірка тез. Т3 С. 48.
4. Евсикова О.В., Стародубуев С.Г., Хохлов А.Р. Синтез, набухание и адсорбционные свойства компози-
тов на основе полиакриламидного геля и бентонита натрия // Высокомолекулярные соединения. Сер.
А. — Т. 44. - №5. – 2002. - С. 802-808.
5. Писаренко О.В., Поспелова К.А., Яковлев А.Г. Курс коллоидной химии. М.: Высшая школа. — 1964. - 247 с.
6. Xie M, Wang W, De Jonge J, Kolditz O. A new mechanistic approach to simulating swelling processes in bentonite
materials ROCKFLOW. Center of Applied Geosciences. University of Tübigen, Germany. — 2003. — 10 р.
7. Norrich K. The swelling of montmorillonite. — Discussions of the Faraday society. — Coagulations and
Floculation. — N18. —1954. Р. 120 — 133.
8. Городнов В.Д., Жигач К.Ф. К вопросу изучения набухания глинистых пород. — В кн.: Сборник матери-
алов НТС по глубокому бурению. М., Вып 3, 1964. — С. 48—68.
9. Bentonite Swell Index. ASTM D 5890, USP NF XVII, GRI GCL.
10. Кистер Э. Г. О набухании глин. — Нефтяное хазяйство. — №12. — 1947. — С. 23—27.
11. Круглицкий Н.Н., Агабальянц Э.Г. Методы физико-химического анализа промывочных жидкостей. М.:
Техника. – 1972. – 160 с.
12. Жигач К.Ф., Яров А.Н. Об оценке набухаемости глин. Изв. ВУЗов. – №10. – 1959. - С. 13-18.
13. Слипенюк Т.С. Влияние полимеров на образование флокуляционных структур в суспензиях бентонито-
вой глины. Коллоидн. Журн. Т. 60. - №1. – 1998. - С. 70-72.
14. Heller H., Keren R. Anionic Polyacrylamide Polymers Effect on Rheological Behavior of Sodium-Montmorillonite
Suspensions – Soil Science Society of America Journal. – 66. – 2002. – Р. 19-25.
Федоренко Ю.Г., Розко А.М., Злобенко Б.П., Павлишин Г.П. ВІЛЬНЕ НАБУХАННЯ
ЧАСТИНОК ГЛИНОПОЛІМЕРНИХ КОМПОЗИТІВ.
Наведено результати експериментального дослідження вільного набухання глино-
полімерних композитів у воді на частинках масою 15 — 100 мг. Встановлено, що у компози-
тах на основі катіонних поліакриламідів відбувається необмежене набухання частинок. Ча-
стинки композитів з аніонними поліакриламідами мають більш високий ступінь обмеженого
набухання, що залежить від концентрації полімеру, ступеня його гідролізу та молекулярної
маси. Показано можливість створення композитів на основі лужноземельних бентонітів.
Fedorenko Yu.G., Rozko A.M., Zlobenko B.P., Pavlishin G.P. FREE SWELLING OF
CLAY-POLYMER COMPOSITES
The results of experimental studies of free swelling of clay-polymer composites in water on
particles at weight 15 — 100 mg were presented. It was found out, that unlimited swelling samples
takes place when using cationic polyacrylamides in composites. Particles of composites with anionic
polyacrylamides have higher degree of limited swelling which depends on concentration of the polymer,
degrees of its hydrolysis and molecular weight. The possibility of creating composites based on alkaline
earth bentonites is shown.
|