СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОДИФИЦИРОВАННОЙ СЕРЫ
METHOD OF OBTAINING MODIFIED SULPHUR

Изобретение относится к области производства композиций, содержащих модифицированную серу, которые могут быть использованы для производства строительных материалов - серных бетонов и сероасфальтобетонов, применяемых в различных отраслях строительства, в том числе транспортном, гидротехническом, гидромелиоративном и др.
Приготовление серного бетона не может быть осуществлено на основе технической серы, так как при переходе серы из расплава в твердое состояние вследствие процессов кристаллизации и перекристаллизации происходят изменения ее плотности, что вызывает значительные усадочные деформации, что приводит к возникновению трещин и другим деструктивным процессам. Снижение объемных деформаций может быть достигнуто за счет применения модифицированной серы, представляющий собой сополимер неорганической серы в разных аллотропных состояниях.
Производство сероасфальтового бетона с частичной заменой битумного вяжущего технической серой не обеспечивает возможность укладки и уплотнения покрытия из сероасфальтобетонной смеси за счет узкого интервала температур, обеспечивающего эффективное ее уплотнение. В связи с этим для производства сероасфальбетонных смесей требуется модифицированная сера, представляющая собой сополимер, обеспечивающий возможность укладки и достижения требуемого уплотнения сероасфальтобетонной смеси.
Таким образом, известно, что для производства сероасфальтобетона и серного бетона требуется модифицированная сера, представляющая собой сополимеры, включающие в себя различные аллотропные состояния серы при наличии полимерной фазы порядка 30%, то есть сополимерной серы.
Физико-механические свойства полимерной серы значительно отличаются от обычной ромбической, призматической и пластической. Такая сера нерастворима в органических растворителях, имеет более высокие прочностные характеристики, лучшую адгезию к минеральным наполнителям и бетону, меньшие деформации усадки. При формировании серных бетонов и сероасфальтобетонов при использовании модифицированной серы существенно снижаются внутренние напряжения, возникающие в материалах в процессе их остывания.
Полимерную серу можно получить, если расплавленную серу с температурой до 180°С, при которой практически вся сера перешла в полимерное состояние, резко охладить. Однако полимерная сера - термодинамически неустойчивый материал, при нормальной температуре она постепенно переходит в обычную ромбическую серу. Таким образом, переход из мономерного в полимерное состояние в сере является фазовым, он носит флуктуационный, межфазный характер, как и в кристаллических полимерах, и с течением времен подвергается деструкции.
Для стабилизации полимерной серы используют различные стабилизаторы структуры.
В связи с этим известны способы получения сополимеров серы за счет введения галогенов, терпентинов, соснового масла, соснового дегтя, однако они не обеспечивают стабильности и улучшения физико-механических характеристик, .
Наиболее широкое распространение в качестве модификатора серы получил дициклопентадиен (ДЦПД). Однако недостатками модифицированной серы с использованием ДЦПД являются длительность процесса модификации и высокая токсичность. Сера, модифицированная ДЦПД, характеризуется пониженной щелочестойкостью и стойкостью к действию бактерий, в том числе серных.
Наиболее близким техническим решением является модификация серы за счет введения 5-этилиден-2-норборнена в соответствии с патентом ЕА 013639 В1, 30.10.2010.
При этом сера приобретает свойства пластичности и обеспечивается более прочное соединение серы с инертным наполнителем, однако полученный продукт имеет недостатки:
1) повышенная температура проведения реакции, не менее 135 градусов;
2) время модификации 3-5 часов;
3) пониженная щелочестойкость и стойкость к серным бактериям;
4) высокое содержание модификатора 5-этилиден-2-норборнена 0,6-3,5%;
5) обладает способностью к деструкции.
Для устранения этих недостатков в заявленном изобретении предлагается дополнительно с 5-этилиден-2-норборнена вводить соли аммония и/или калия в количестве 0,001-0,005 мас.%, в результате чего достигается:
1) снижение температуры проведения реакции до 120 градусов;
2) время проведения реакции снижается до 20-50 минут;
3) обеспечение щелочестойкости и стойкости к серным бактериям;
4) уменьшение количества модификатора 5-этилиден-2-норборнена 0,08-0,1 мас.%;
5) повышение адгезионных свойств модифицированной серы к каменному материалу (заполнителю).
В основу изобретения поставлена задача усовершенствования технологии получения модифицированной серы путем введения соли аммония и/или калия, в результате чего происходит стабилизация продукта, реакция модификации становится необратимой и как следствие отсутствует деструкция (не разрушаются полимерные связи).
Поставленная задача решается и указанный технический результат достигается в способе получения модифицированной серы для производства серного бетона и сероасфальтобетонной смеси, заключающемся в том, что расплавленная сера подается в реактор при температуре 120-135°С, после чего в реактор вводятся соли аммония и/или калия в количестве от 0,001 до 0,005 мас.% от массы серы, перемешивают их в течение 5-10 минут, после чего вводится 5-этилиден-2-норборнен в количестве от 0,08 до 0,1 мас.% от массы серы и осуществляют перемешивание в течение 20-50 минут.
Наилучший вариант осуществления изобретения.
В расплавленную серу (техническую) при температуре 120-135°С вводятся соли аммония, например персульфат аммония, в количестве 0,001-0,005 мас.% и осуществляется перемешивание в течение 5-10 минут, после чего вводится 5-этилиден-2-норборнен в количестве 0,08-0,1 мас.% и осуществляется перемешивание в герметично закрытом сосуде в течение 20-50 минут.
В расплавленную серу (техническую) при температуре 120-135°С вводятся соли аммония, например сульфат аммония, в количестве 0,001-0,005 мас.% и осуществляется перемешивание в течение 5-10 минут, после чего вводится 5-этилиден-2-норборнен в количестве 0,08-0,1 мас.% и осуществляется перемешивание в герметично закрытом сосуде в течение 20-50 минут.
В расплавленную серу (техническую) при температуре 120-135°С вводятся соли калия, например персульфат калия, в количестве 0,001-0,005 мас.% и осуществляется перемешивание в течение 5-10 минут, после чего вводится 5-этилиден-2-норборнен в количестве 0,08-0,1 мас.% и осуществляется перемешивание в герметично закрытом сосуде в течение 20-50 минут.
В расплавленную серу (техническую) при температуре 120-135°С вводятся соли калия, например сульфат калия, в количестве 0,001-0,005 мас.% и осуществляется перемешивание в течение 5-10 минут, после чего вводится 5-этилиден-2-норборнен в количестве 0,08-0,1 мас.% и осуществляется перемешивание в герметично закрытом сосуде в течение 20-50 минут.
В расплавленную серу (техническую) при температуре 120-135°С вводится смесь соли аммония и калия, например персульфат аммония и персульфат калия, в количестве 0,001-0,005 мас.% (в любых соотношениях между собой) и осуществляется перемешивание в течение 5-10 минут, после чего вводится 5-этилиден-2-норборнен в количестве 0,08-0,1 мас.% и осуществляется перемешивание в герметично закрытом сосуде в течение 20-50 минут.
В расплавленную серу (техническую) при температуре 120-135°С вводится смесь соли аммония и калия, например персульфат аммония и сульфат калия, в количестве 0,001-0,005 мас.% (в любых соотношениях между собой) и осуществляется перемешивание в течение 5-10 минут, после чего вводится 5-этилиден-2-норборнен в количестве 0,08-0,1 мас.% и осуществляется перемешивание в герметично закрытом сосуде в течение 20-50 минут.
В расплавленную серу (техническую) при температуре 120-135°С вводятся соли аммония и калия, например сульфат аммония и персульфат калия, в количестве 0,001-0,005 мас.% (в любых соотношениях между собой) и осуществляется перемешивание в течение 5-10 минут, после чего вводится 5-этилиден-2-норборнен в количестве 0,08-0,1 мас.% и осуществляется перемешивание в герметично закрытом сосуде в течение 20-50 минут.
В расплавленную серу (техническую) при температуре 120-135°С вводится смесь соли аммония и калия, например сульфат аммония и сульфат калия, в количестве 0,001-0,005 мас.% (в любых соотношениях между собой) и осуществляется перемешивание в течение 5-10 минут, после чего вводится 5-этилиден-2-норборнен в количестве 0,08-0,1 мас.% и осуществляется перемешивание в герметично закрытом сосуде в течение 20-50 минут.
Содержание солей аммония и/или калия может составлять от 0,001 до 0,005 мас.%. Так как такого количества достаточно для получения стойкости в отношении аллотропных конформаций и замедленной кристаллизации в присутствии зернистого неорганического материала, такого как наполнитель и/или заполнитель при производстве серного бетона или сероасфальтбетонной смеси. Меньшее количество солей аммония и/или калия вызывает снижение стойкости в отношении аллотропных конформации. Большее количество не проявляет заметного эффекта в обеспечении стабильности модифицированной серы.
Содержание 5-этилиден-2-норборнен составляет от 0,08 до 0,1 мас.%, что обеспечивает желаемый модифицирующий эффект. Меньшее количество 5-этилиден-2-норборнен может иметь следствием пониженное содержание полимерной составляющей в модифицированной сере, что приводит к возрастанию усадочных деформаций при производстве серобетона и приводит к узкому интервалу температур при уплотнении сероасфальтобетонных смесей. Большее количество 5-этилиден-2-норборнен приводит к образованию значительного количества полимерной серы, что способствует тому, что модифицированная сера характеризуется гетерогенным составом, который в меньшей степени подходит в качестве модифицированной серы, предназначенной для производства серного бетона и сероасфальтобетонных смесей.
Расплавленная сера подается в реактор при температуре 120-135°С потому, что температура плавления серы 119°С, реакция модификации экзотермична, в связи с этим наблюдается значительный разогрев смеси на 10-15°С. В связи с тем что температура выше 159°С не допускается в связи с лавинообразным образованием полимерной серы, температуру ограничиваем 135°С.
После чего в реактор вводятся соли аммония и/или калия в количестве от 0,001 до 0,005 мас.%, например персульфат калия, и осуществляют перемешивание расплавленной серы с персульфатом калия и/или аммония в течение 5-10 минут, исключительно для перемешивания.
Далее вводится 5-этилиден-2-норборнен в количестве от 0,08 до 0,1 мас.% от массы серы и осуществляют перемешивание в течение 20-50 минут. За этот промежуток времени происходит образование сополимерной серы. При этом за 20-30 минут образуется сополимерная сера, предназначенная для производства сероасфальтобетонных смесей, а за 30-50 минут образуется сополимерная сера, предназначенная для производства серобетонных смесей.
Образцы модифицированной серы готовили следующим образом.
В расплавленную серу (техническую) в количестве 1000 кг при температуре 125°С вводили сульфат аммония в количестве 0,01 кг и осуществляли перемешивание в течении 5 минут, после чего вводили 5-этилиден-2-норборнен в количестве 1,0 кг, и осуществляли перемешивание в герметично закрытом сосуде в течении 30 минут.
Полученную массу смешивали с заранее разогретыми до температуры 125°С песком кварцевым молотым (остаток на сите №0,08 20%) и песком кварцевым в соотношении:
- сера модифицированная - 27 мас.%;
- песок кварцевый молотый (остаток на сите №0,08 20%) - 21 мас.%;
- песок кварцевый - 52 мас.%.
Полученной смесью заполняли предварительно нагретые до температуры 100°С формы-балочки размером 40×40×160 мм. Формы со смесью остужали в естественных условиях при температуре 20°С. В результате получали образцы размером 40×40×160 мм, которые испытывались на прочность.
Примеры образцов модифицированной серы с различным процентным содержанием компонентов приведены в таблице 1.
Прочностные характеристики образцов, полученных на указанных составах модифицированной серы, приведены в таблице 2. Прочность на растяжение при изгибе и прочность на сжатие определялась в соответствии с методикой ГОСТ 310.4-81 на образцах в возрасте 7 суток.
Как видно из таблицы 2, прочностные свойства полученного материала значительно улучшены по сравнению с прототипом.