Способ получения композита на основе природного силиката



Способ получения композита на основе природного силиката
Способ получения композита на основе природного силиката
Способ получения композита на основе природного силиката
Способ получения композита на основе природного силиката
Способ получения композита на основе природного силиката

 


Владельцы патента RU 2612294:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) (RU)

Изобретение относится к способам модификации природных слоистых алюмосиликатов с получением композита с сорбционными свойствами. Способ включает обработку предварительно нагретого до 270-300°С природного силиката нонтронита концентрированной соляной кислотой при Т:Ж=1:(1-2) в течение 1-2 часов при перемешивании с последующим добавлением в реакционную смесь гидролизата рисовой шелухи с получением геля, который перемешивают в течение не менее 1 часа, фильтруют, промывают от хлорида натрия и сушат на воздухе до постоянного веса. Технический результат - исключение соляной кислоты и ионов тяжелых металлов из отходов при минимизации общего количества отходов, а также повышение антифрикционных показателей получаемого композита. 1 з.п ф-лы, 1 ил., 4 табл., 2 пр.

 

Изобретение относится к способам модификации природных слоистых алюмосиликатов с получением композитов, являющихся сорбентами, которые проявляют высокие триботехнические свойства и могут быть использованы в качестве антифрикционных присадок к машинным маслам, в составе композиций для формирования антифрикционных покрытий трущихся поверхностей и найти применение в машиностроении, автомобилестроении и других отраслях промышленности.

Известен способ получения органомодифицированного слоистого алюмосиликата монтмориллонита (пат. РФ №2380316, опубл 2010.01.27) для применения в производстве мастик и клеев для автомобилей; в качестве наполнителя полимеров для повышения термостойкости и термостабильности, в качестве адсорбента для очистки сточных вод от анионных красителей и ПАВ и др. Известный способ включает перемешивание водной суспензии монтмориллонита с солью из ряда: гуанидингидрохлорид, гуанидинкарбонат, гуанидинсульфат, при соотношении компонентов, мас. %: монтмориллонит - 85-90, гуанидинсодержащая соль - 10-15, с последующим отделением целевого продукта, промыванием его водой и сушкой и обеспечивает увеличение пространства между слоями, уменьшение поверхностной энергии и придает поверхности гидрофобный характер. Однако известный способ не обеспечивает необходимых антифрикционных свойств получаемого органомодифицированного монтмориллонита, кроме того, он требует предварительного переведения исходного сырья в состояние суспензии, требующего затрат времени и труда.

Известен описанный в патенте РФ №2559077, опубл. 2015.08.10, способ получения на основе алюмосиликата композитной присадки к машинному маслу для антифрикционного покрытия трущихся поверхностей, который заключается в модификации вермикулита путем обработки раствором искусственного полимагнийфенилсилоксана в толуоле при температуре кипения с последующей отгонкой толуола и сушкой модифицированного вермикулита. К недостаткам известного способа следует отнести необходимость предварительного получения полимагнийфенилсилоксана, которое приводит к усложнению и удорожанию способа, а также использование небезопасных для здоровья и окружающей среды органических растворителей.

Известен описанный в патенте РФ №2487192, опубл. 2013.07.10, способ получения на основе алюмосиликата композита, входящего в состав антифрикционной смазочной композиции для пар трения, который включает модификацию вспученного вермикулита природным высокомолекулярным полисахаридом, а именно хитозаном, путем введения вспученного вермикулита крупностью 10-30 мкм в 1% раствор хитозана в 2% уксусной кислоте из расчета 100 г на 270-330 мл с последующим перемешиванием в течение 3 ч, добавлением 5% раствора аммиака до нейтрализации суспензии (рН 8), отфильтровыванием и сушкой до постоянного веса. Недостатком известного способа является большое количество отходов в виде концентрированных солевых растворов, содержащих ионы алюминия, магния, железа и других тяжелых металлов, значительные расходы на осуществление, обусловленные использованием коммерческого хитозана.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является способ получения композита, который включает последовательную обработку природного силиката вермикулита соляной кислотой и полифенилсилоксаном [C6H5SiO1,5]n. (описан в работе Леонтьев Л.Б., Шапкин Н.П., Леонтьев А.Л. //Изменения эксплуатационных свойств стали 40-х в процессе модифицирования поверхностного слоя органосиликатными антифрикционными композитами и триботехнических испытаний. The Development of Science in the 21st Century: Natural and Technical Sciences. New York. 2015. C. 87-94). Известный композит обнаруживает высокие триботехнические показатели и используется в качестве модифицирующей антифрикционной добавки в смазку для предотвращения абразивного износа трибосопряжений.

К недостаткам известного способа получения композита следует отнести большое количество отходов, содержащих соляную кислоту и ионы тяжелых металлов, высокую стоимость модификатора, полифенилсилоксана, который получают в растворе по специальной методике, что в целом снижает эффективность способа, а также недостаточно высокие антифрикционные показатели, обеспечиваемые полученным композитом.

Задачей предлагаемого изобретения является создание эффективного и экологически приемлемого способа получения композита на основе природного алюмосиликата нонтронита (листовой силикат из группы монтмориллонита с высоким содержанием железа).

Технический результат способа заключается в исключении соляной кислоты и ионов тяжелых металлов из отходов и минимизации их общего количества, а также в повышении антифрикционных показателей получаемого композита

Указанный технический результат достигают способом получения композита на основе природного силиката путем обработки последнего соляной кислотой с последующей органомодификацией, в котором, в отличие от известного, в качестве природного силиката используют нонтронит, который предварительно нагревают до 270-300°С, его обработку соляной кислотой проводят при концентрации кислоты 36,5% и Т:Ж=1:(1-2) в течение 1-2 часов при перемешивании, органомодификацию осуществляют щелочным гидролизатом рисовой шелухи, который добавляют в реакционную смесь до нейтральной реакции, образовавшийся гель перемешивают в течение не менее 1 часа, фильтруют, промывают от хлорида натрия и сушат на воздухе до постоянного веса.

Используемый щелочной гидролизат рисовой шелухи готовят путем обработки тонкоизмельченной рисовой шелухи 10-15% раствором гидроксида натрия при температуре 90-95°С в течение 1-2 часов при соотношении Т:Ж=1:(15-30).

Способ осуществляют следующим образом.

В качестве исходного сырья берут нонтронит (фракцию <0.5 мм), представляющий собой природный алюмосиликат непостоянного химического состава, который приближается к теоретической формуле: Na0,3Fe2[(Si,Al)4O10](OH)2⋅nH2O. К прогретому до 270-300°С исходному сырью добавляют концентрированную (36,5%) соляную кислоту при Т:Ж=1:(1-2) и интенсивно перемешивают в течение не менее 1 часа (1-2 часа). Для последующей модифицирующей обработки к образовавшейся суспензии, не прекращая перемешивания, при непрерывном контроле значения рН добавляют щелочной гидролизат рисовой шелухи до нейтральной реакции, при этом соотношение объемов кислого и щелочного растворов может составлять от 1:3 до 1:6. Образующийся гель перемешивают в течение не менее 1 часа, затем фильтруют и промывают от хлорида натрия. Полученный продукт сушат на воздухе до постоянного веса.

Выход целевого продукта является практически количественным (масса полученного продукта приблизительно равна сумме исходных масс нонтронита и рисовой шелухи). Соляная кислота полностью нейтрализуется гидролизатом рисовой шелухи с образованием NaCl.

Для получения щелочного гидролизата рисовую шелуху, являющуюся многотоннажным отходом производства риса, тонко измельчают и обрабатывают 10-15% раствором гидроксида натрия при температуре 90-95°С в течение 1-2 часов.

Сравнительные составы (масс. %) исходного нонтронита (месторождение о. Попова, Приморский край), нонтронита, обработанного только соляной кислотой, и модифицированного нонтронита, последовательно обработанного соляной кислотой и щелочным гидролизатом рисовой шелухи (предлагаемый композит), приведены в таблице 1.

Известно (Земнухова Л.А., Арефьева О.Д., Ковшун А.А. Состав и очистка сточных вод, образующихся при щелочном гидролизе рисовой шелухи // Химия в интересах устойчивого развития. 2011. Т. 19. С. 509-514), что в составе щелочного гидролизата рисовой шелухи содержатся как неорганические компоненты, из которых основными являются натрий (до 8%), кремний (до 0.35%) и калий (0.04%), так и органические вещества, представленные главным образом лигнином и гемицеллюлозами.

После обработки соляной кислотой в исходном образце нонтронита понижается содержание железа, магния и калия, ионы которых переходят в кислотный раствор. Последующая нейтрализация кислотного раствора щелочным гидролизатом рисовой шелухи приводит к формированию композита, на модифицированной поверхности которого осаждены оксиды железа, алюминия, магния и других металлов, ионы которых были представлены в кислотном растворе и щелочном гидролизате.

Таким образом, поступление соляной кислоты и ионов тяжелых металлов в отходы и загрязнение ими окружающей среды практически полностью исключаются.

В сформированном композите с модифицированной поверхностью наблюдается уменьшение содержания основных элементов (кремния и алюминия), которое происходит за счет появления новых элементов - углерода и натрия. Приведенные на прилагаемом графике сравнительные данные ПК-спектроскопии (а - предлагаемый композит, б - образец, обработанный соляной кислотой, в - исходный нонтронит) подтверждают, что в предлагаемом композите углерод находится в виде полисахаридов (целлюлозных фрагментов) и лигнина (полосы поглощения при 2924, 1514, 1462 и 1375 см-1, отвечающие колебаниям связей С-Н, С=O, С-С и С-О-С соответственно). В ИК-спектре исходного нонтронита и образца, обработанного только соляной кислотой, эти полосы отсутствуют.

Из органических соединений, входящих в состав композита, на поверхности формируется специфический пористый слой, способствующий увеличению сорбционной емкости по отношению к органическим соединениям в сравнении с природным нонтронитом почти в два раза.

В таблице 2 приведены данные, характеризующие сорбционные свойства (по бриллиантовому зеленому) композита, полученного предлагаемым способом, а также исходного нонтронита и нонтронита, обработанного только соляной кислотой.

Увеличение сорбционной емкости композита происходит за счет увеличения объема микропор, что подтверждается исследованием исходного и обработанных образцов методом аннигиляционной позитронной спектроскопии (ПАС), который позволяет рассчитать удельные объемы «ловушек» позитрония, которые соответствуют удельным объемам микропор (таблица 3, где Vps - удельный объем микропор в ангстремах, Nps, - их количество в единице объема).

Высокая сорбционная емкость по отношению к органическим соединениям позволяет композиту при использовании в качестве антифрикционной присадки к машинным маслам сорбировать значительное количество смазочного масла и за счет этого формировать на трибосопряжениях сплошной масляный слой, исключающий непосредственный контакт трущихся поверхностей.

Как показали триботехнические испытания, а также определение износа вала и вкладыша весовым методом, обработка предлагаемым способом приводит к значительному улучшению триботехнических характеристик исходного, изначально обладающего антифрикционными свойствами слоистого алюмосиликата; износ трущихся деталей в присутствии в смазке предлагаемого композита в несколько раз меньше, чем в присутствии исходного алюмосиликата.

В таблице 4 приведены триботехнические характеристики образца, полученного в соответствии с прототипом, в сравнении с данными для предлагаемого композита (при использовании в виде добавки к смазочному маслу в парах трения из стали Ст45).

Сравнение с прототипом показывает, что нонтронит, модифицированный предлагаемым способом, обеспечивает показатели, превосходящие показатели антифрикционных добавок к смазочным маслам, которые были получены согласно прототипу (износ вала и вкладыша при использовании предлагаемого композита - 0.3 и 3.9 мг в сравнении с 0.5 и 4.5 мг при использовании антифрикционных добавок по прототипу).

При этом предлагаемый способ использует дешевые исходные компоненты и позволяет утилизировать рисовую шелуху, являющуюся возобновляемым природным сырьем, не находящим полного применения.

Примеры конкретного осуществления способа

В качестве исходного силиката был использован нонтронит (месторождение о. Попов, Приморский край) следующего состава, масс. %: SiO2 36.56, Al2O3 36.64, Fe2O3 14.24, K2O 9.48, MgO 1.68.

Триботехнические испытания полученного композита проводили на стали Ст45 фрикционным методом по схеме ролик-колодка при скорости скольжения 0.628 м/с, масло для смазки пары трения наносили капельно (5-6 капель в минуту). Для исследований использовали дизельное масло марки М-14-Д2 (ЦЛЗО) ГОСТ 12337-84 вязкостью 19.8 сСт при 100°С и щелочным числом 20 мг КОН.

Износ вала и вкладыша определяли весовым методом на лабораторных весах с ценой деления 0,1 мг марки AUW 220D фирмы Shimadzu (Япония).

Пример 1

К 50 г нонтронита, предварительно прогретого до 300°С, приливают 50 мл 36.5% соляной кислоты и интенсивно перемешивают в течение 1 часа. Затем к суспензии добавляют щелочной гидролизат рисовой шелухи, полученный обработкой 10 г тонкоизмельченной рисовой шелухи раствором, содержащим 30 г гидроксида натрия в 300 мл дистиллированной воды, при 90°С в течение 2 часов. Раствор приливают при перемешивании до нейтральной реакции по бумажному индикатору. Образующийся гель перемешивают в течение 2 часов, затем фильтруют и промывают от хлорида натрия. Полученный продукт сушат на воздухе до постоянной массы, которая составила 57.8 г. Значения коэффициента трения с добавкой полученного композита, данные по износу приведены в таблице 4.

Пример 2

К 50 г нонтронита, предварительно прогретого до 270°С, приливают 100 мл 36.5% соляной кислоты и интенсивно перемешивают в течение 2 часов. Затем к суспензии добавляют щелочной гидролизат рисовой шелухи, полученный в условиях примера 1 (45 г гидроксида натрия в 300 мл дистиллированной воды на 20 г рисовой шелухи), и обрабатывают аналогично примеру 1.

Масса продукта 68.4 г. Триботехнические характеристики полученного композита аналогичны приведенным для примера 1.

1. Способ получения композита на основе природного силиката путем обработки последнего соляной кислотой с последующей органомодификацией, отличающийся тем, что в качестве природного силиката используют нонтронит, который предварительно нагревают до 270-300°С, проводят обработку концентрированной (36.5%) соляной кислотой при Т:Ж=1:(1-2) в течение 1-2 часов при перемешивании, органомодификацию осуществляют щелочным гидролизатом рисовой шелухи, который добавляют в реакционную смесь до нейтральной реакции, образовавшийся гель перемешивают в течение не менее 1 часа, фильтруют, промывают от хлорида натрия и сушат на воздухе до постоянного веса.

2. Способ по 1, отличающийся тем, что щелочной гидролизат рисовой шелухи готовят путем обработки тонкоизмельченной рисовой шелухи 10-15% раствором гидроксида натрия при температуре 90-95°С в течение 1-2 часов при соотношении Т:Ж=1:(15-30).



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к химической промышленности и может примененяться при изготовлении пигментов для лаков и красок. Пигмент содержит оболочку и ядро.
Изобретение относится к химической промышленности и может применяться при изготовлении пигментов для лаков и красок. Пигмент белого цвета содержит оболочку и ядро.

Изобретение относится к способу модификации перлита, используемого в качестве наполнителя резиновой смеси. Производят гидрофобизацию дисперсного перлита, включающую механическое перемешивание перлита с модификатором при массовом отношении перлита к модификатору, равном 1:3, и нагревание полученной смеси последовательно при 500°С в течение 1 часа и при 900°С в течение 1 часа.
Изобретение относится к технологиям переработки алюмокремниевого сырья с получением алюмокремниевого флокулянта-коагулянта, с получением сухого продукта. Осуществляют обработку нефелинового концентрата ((Na,K)2O·Al2O3·2SiO2) водным раствором серной кислоты, при этом берут 7-11% серную кислоту, производят перемешивание в течение 30-40 минут.
Изобретение относится к производству слюды. Шихта для выплавки слюды - калиевого фторфлогопита содержит гидроксид калия, периклаз, фторид алюминия, кварцевый песок и глинозем.

Изобретение относится к области получения синтетических алюмосиликатных адсорбентов. Предложенный способ осуществляют взаимодействием в водном растворе силиката натрия и серной кислоты, содержащей 2,5-8,4 г/л оксида алюминия.

Изобретение может быть использовано для получения носителей катализаторов, ионообменных материалов, сорбентов, используемых при очистке, сушке и разделении газов, при очистке воды от бактерий и пестицидов, для приготовления пигментов, для получения пищевых добавок.
Группа изобретений может быть использована в мембранном электролитическом производстве хлора и гидроксида натрия для очистки водных композиций, содержащих хлорид натрия, от кремния.
Изобретение относится к способу получения катализатора для нефтепереработки и нефтехимии и может быть использовано в производстве катализаторов циклизации нормальных алканов, как из нефтяного сырья, так и из синтетических углеводородов.
Изобретение может быть использовано на очистных сооружениях производственного и хозяйственно-питьевого водоснабжения, а также при очистке сточных вод от силикатов.
Изобретение относится к химической промышленности и может применяться при изготовлении пигментов для лаков и красок. Пигмент содержит оболочку и ядро. Оболочка выполнена из диоксида титана. Ядро выполнено из каолина с массовым содержанием силикатов алюминия не менее 97 %. Массовое отношение материала оболочки к материалу ядра составляет от 0,66 до 4,0, фракционный состав материала ядра от 2 до 5 мкм, а материала оболочки от 0,2 до 0,5 мкм. Изобретение позволяет улучшить качество пигмента, увеличить устойчивость к разрушению в условиях эксплуатации, хранении и транспортировании. 9 пр.
Изобретение относится к химической промышленности и может применяться при изготовлении пигментов для лаков и красок. Пигмент состоит из оболочки и ядра. Оболочка выполнена из диоксида титана. Ядро выполнено из смеси каолина и гидроксида алюминия с суммарным массовым содержанием алюмосиликатов и гидроксида алюминия не менее 98 %. Массовое отношение содержания гидроксида алюминия к массе ядра составляет от 10 до 25 масс.ч. Массовое отношение материала оболочки к материалу ядра составляет от 0,66 до 2,33 при фракционном составе материала ядра от 2 до 5 мкм и материала оболочки от 0,2 до 0,5 мкм. Изобретение позволяет улучшить качество пигмента, увеличить устойчивость к разрушению в условиях эксплуатации при кислотных атмосферных осадках, хранении и транспортировке. 8 пр.
Наверх