Глава 5 Исследование формирования структуры композиционных материалов

Изучение взаимодействия между компонентами композиции проводили методом инфракрасной спектроскопии.

Исследование ИК-спектров компонентов композиционных материалов показало, что для базальтовой ваты (кондиционной и некондиционной) характерны следующие полосы поглощения: 3409 (3440), 2820 (2920), 2320 (2340), 1640 (1645), 1400 (1400), 1045 (1040), 800, 594,7 и 555,7 см^-1

Относительно интенсивная полоса поглощения с максимумом 3409 см^-1, обусловлена валентными колебаниями в базальтовых волокнах молекул воды. Полоса сравнительно широкая вследствие того, что поверхность базальтовой ваты химически и энергетически неоднородна.

Широкая интенсивная полоса с максимумом 1045 см^-1 обусловлена валентными колебаниями связи Si-O в цепочном кремнекислородном мотиве: апорит и твердого раствора между ними – бетонита. По числу тетраэдров [SiO₄]^4-, составляющих период повторяемости в цепочке [SiO₃] различают цепи с одним, двумя, тремя, четырьмя, пятью, семью тетраэдрами. Основными активными группами являются связи Si-O-Si , Al-O и кремнийкислородные мостики Si-O- Si и О- Si-О. В состав базальта в качестве примеси входит ортосиликат оливин 2MgO SiO₂ -2FeO SiO₂, структурной единицей которого является изолированный тетраэдр [SiO₄]^4-. Вследствие неоднородности распределения связи Si-O и других связей в структуре базальта полоса поглощения широкая. Очень слабый максимум 800 см^-1 – валентные колебания связи Si-O в изолированных тетраэдрах. Очень слабый максимум при 1640 см^-1 обусловлен валентными колебаниями ионов гидроксония H₃O⁺.

Общий анализ спектров показывает, что некондиционная вата более гидратирована и обладает большей реакционной способностью (острые максимумы при 2920см^-1, 2340 см^-1, 1400 см^-1). Очевидно это связано с разрыхленностью ее структуры, а следовательно большей удельной поверхностью, способной к физико-химическому взаимодействию с реакционными группами битума.

На ИК-спектрах битума присутствуют полосы поглощения СН₂ : валентные асимметричные - 2923 см^-1, симметричные - 2853 см^-1; деформационные СН₂: ножничные - 1458 см^-1, маятниковые – 722 см^-1, деформационные СН₃ : ассиметричные – 1458 см^-1, симметричные - 1375 см^-1; полосы поглощения конденсированных ароматических соединений – 1602 см^-1, полосу связанной воды в районе 3200 см^-1и узкий слабовыраженный максимум при 1025 см^-1 обусловленный валентными колебаниями связи С=О.

Рис. 5 ИКС-спектры: а) базальтовая вата: 1- кондиционная вата;

2- некондиционная вата; б)1- спектр битумного вибропоглощающего материала; 2-резинобитумный вибропоглощающий материал

На ИК-спектрах битумных композиционных образцов (рис. 5 б) отчетливо идентифицируются полосы:, 3052,56,3025,1, 2923,58, 2852,74, 2512,76, 1797,09, 1727,27 ,1601,34, 1434,64, 1079,3, 1038, 875,71, 797,97, 752,82, 712,22, 699,81 597,12, 577,60, 525,04, 509,97 см^-1.

 Полосы поглощения в области 2512,76, 1797,09, 1601,34, 1434,64, 1079,3, 875,71, 752,82 см^-1 относятся к карбонату кальция. Полосы поглощения 3509,7, 3468,98, 3426,45 см^-1 связаны с симметричными и асимметричными колебаниями ОН^- - групп, 2923,58, 2852,74 см^-1 относятся к валентным асимметричным колебаниям СН_2. – групп, 3052,56 см^-1 – ароматических СН-групп, наличие полос поглощения при 1079,3 см^-1 характеризует деформационные колебания связей Si-O-Si,

 О

С-О-С, С=О в группе  .

 О.

Наблюдается смещение полосы поглощения валентных колебаний связи Si-O, что обусловлено взаимодействием активных групп поверхности Si-O с макромолекулами битума. Основная полоса валентных колебаний связи 1090 см^-1 расщепляется на два максимума 1079,3 см^-1и 1038 см^-1. Это подтверждает, что группа участвует в образовании химических связей с функциональными группами компонентов композиций, в том числе с гидроксильной группой ароматических соединений и карбоновых кислот битума:

                        |                               |

 О – ОН + – Si – О           О – О – Si – ОН

                        |                               |

 Битум Базальтовое волокно

     О                                                О

     //                                                //

     C – ОН                                      C – ОН

 О – С – ОН + – Si – О –           О – С – О – Si – ОН

     \\           |                               \\ |

     О                                      О

Таким образом, анализ ИК - спектров образцов материала показывает, что базальтовые волокна упорядочивают структуру, образуя органо-силикатные соединения, упрочняющие структуру композиционного материала. Доказательством формирования более плотной структуры в битумных композициях на основе базальтовой ваты по сравнению с серийными служат результаты термогравиметрического анализа (табл.4), которые свидетельствуют о более полном химическом и физическом взаимодействии функциональных групп битума с базальтовыми волокнами. По данным ТГА (табл.4), битумные композиции на основе кондиционной и некондиционной базальтовой ватой в сравнении со битумными материалами на основе асбеста более термостойки. Так, потери массы при 300⁰С у битумных и резинобитумных материалов с асбестом составляют 16 и 14%, а с базальтовыми волокнами –13 и 11%, то есть на 12,5% меньше, при 800⁰С – с асбестом 80 и 69%, с базальтовыми волокнами 70 и 66% ( на 14,3% меньше).

В целом деструкция предлагаемых образцов смещается в область более высоких температур по сравнению с серийным материалом. Об этом свидетельствуют и более высокие значения энергии активации деструкции предлагаемых материалов (табл.4).

Таблица 4