V РОССИЙСКАЯ НАУЧНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ШКОЛЬНИКОВ “ОТКРЫТИЕ”

СЕКЦИЯ ХИМИЯ

I МЕСТО

СИНТЕЗ АНТИКОРРОЗИОННОГО ПИГМЕНТА ФОСФАТА ХРОМА (III) И ИЗУЧЕНИЕ ЕГО СВОЙСТВ

Автор: учащийся 11 класса средней школы № 49 г. Ярославля Шишуркин Илья Вячеславович

Научные руководители: Е.А. Индейкин, профессор ЯГТУ, доктор химических наук; Г.Ф. Костюченко, учитель школы № 49, кандидат химических наук.

 

Большинство металлов и их сплавов в результате воздействия на них химически активных веществ и атмосферных воздействий разрушаются в результате коррозии. Ущерб, наносимый коррозией хозяйству, очень велик. От коррозии ежегодно погибает около трети мирового производства металла. На борьбу с коррозией все страны затрачивают очень большие средства. Так, например, только в США для этой цели ежегодно расходуют около 6 млрд. долларов.

Известны различные способы защиты металла от коррозии. Одним из распространенных способов защиты является использование лакокрасочных покрытий. В большинстве случаев основную антикоррозийную функцию в лакокрасочных покрытиях выполняют пигменты. Антикоррозийные пигменты, входящие в состав лакокрасочных материалов, могут выступать по отношению к металлу, как пассиваторы коррозии или осуществлять протекторную защиту.

Целью данной работы является синтез противокоррозионного пигмента – фосфата хрома (III) – с использованием в качестве сырья отходов производства железооксидных пигментов, а также изучение его физико-технических и противокоррозионных свойств.

Таким отходом производства является раствор сульфата железа (II). При синтезе фосфата хрома он может быть использован в качестве восстановителя.

Процесс получения фосфата хрома (III) состоит в восстановлении хрома (VI) до хрома (III) в присутствии ортофосфорной кислоты.

В данной работе фосфат хрома (III) был синтезирован двумя способами.

По первому способу в качестве хромосодержащего вещества использовали дихромат натрия, восстановителем служил сульфит натрия.

Синтез осуществлялся по следующим уравнениям реакций.

  1. Na2Cr2O7+3Na2SO3+2H3PO4+H2SO4+8H2O=2(CrPO4 6H2O)Ї + 4Na2SO4

  2. CrPO4 *6H2O (T=105-110o)CrPO4 * 3H20 + 3H2O

Синтез проводился в химическом стакане, снабженном механической мешалкой.

В смесь растворов дихромата натрия и сульфита натрия с концентрацией 100 г/л при перемешивании вводилось расчетное количество 86 % раствора ортофосфорной кислоты и затем 77 % раствора серной кислоты.

РН реакционной смеси составлял 1,8. Смесь перемешивали в течение 30 минут, после этого нейтрализовали раствором аммиака до рН=7. При этом наблюдалось выпадение осадка светло-зеленого света.

После вызревания остаток отфильтровывался на воронке Бюхнера и промывался водой. При этом происходит процесс дегидратации и гексагидрат фосфата хрома (III) переходит в тригидрат фосфата хрома (III) – CrPO4 *3H2O. Полученный фосфат хрома (III) представляет собой порошок светло-зеленого цвета со средним размером частиц 0,6 мкм, плотностью 2370 кг/м3, насыпной плотностью 650 кг/м3, удельной поверхность 15 м2/г.

По второму способу фосфат хрома (III) был получен из оксида хрома (VI) CrO3 и семиводного сульфата железа (II) FeSO4 * 7H2O, который является отходом производства. Проведение синтеза было аналогичным описанному в первом способе (т.е. в химическом стакане с мешалкой).

Процесс синтеза можно представить следующими реакциями:

  1. 2CrO3+6(FeSO4*7H2O)+2H3PO4+3H2SO4=2(CrPO4*6H2O) Ї+3Fe2(SO4)3+36H2O

  2. Fe2(SO4) 3 +6NH4OH=2Fe(OH3) Ї3(NH4)2SO4

 

CrPO4*6H2O T=1005-110oC CrPO4*3H2O+3H2O

При вызревании происходит процесс дегидратации гидроксида железа (III)

 

Fe(OH)3 FeOOH+H2O

В результате совместного осаждения фосфата хрома (III) и гидроксида железа (III) был получен керновый пигмент, ядром которого является гидроксид окиси железа (III), а оболочкой - фосфат хрома (III). Полученный пигмент представляет собой порошок коричневого цвета. Определение содержания хрома в керновом пигменте в пересчете на CrPO4 *3H2O дало результат 14 %, что соответствует стехиометрически рассчитанному.

Для решения вопроса о целесообразности выбора того или иного способа получения фосфата хрома (III) было проведено сравнение свойств полученных продуктов.

Важной характеристикой пигмента, определяющей его малярные свойства, является укрывистость. Укрывистость или кроющая способность – это свойство пигментов, введенных в пленкообразующие вещества, делать невидимым цвет закрашиваемой поверхности.

Укрывистость пигментов определялась фотометрическим методом по коэффициенту контрастности на компараторе цвета ФКЦШ-М. Для сравнения была определена укрывистость у фосфата хрома (III), полученного по первому способу – 90 г/м2, у кернового пигмента, полученного по второму способу – 8,4 г/м2 и у желтого железоокисного пигмента 8,4 г/м2, что связано с гиперхромным эффектом, который вызывается субстрактивным смешением цветов ядра (FeOOH) и оболочки CrPO4 * 3H2O. Керновый пигмент обладает наилучшей кроющей способностью, что очень важно с экономической точки зрения.

Основным методом определения противокоррозионных свойств является оценка поляризационных кривых анодной и катодной поляризации. Измерения проводились на потенциостате П-5627М. Результаты исследования приведены на рисунке.

Из рисунка следует, что как смесь пигментов (желтого железоокисного и фосфата хрома), так и керновый пигмент обладают противокоррозионным действием. Это вытекает из того, что токи коррозии стали в присутствии этих пигментов в растворе электролита значительно снижаются. Коррозионные торможения, вычисленные по данным рисунка, соответственно равны. Так, например, 300 ом – для чистого железоокисного пигмента (кривая 1), 340 ом – для кернового пигмента (кривая 3) и 400 ом – для смеси фосфата хрома и железоокисного пигмента (кривая 2).

Таким образом, из работы следует, что предложенными методами возможен синтез противокоррозионных пигментов, как с использованием дихромата натрия и сульфита натрия, так и с применением хромового ангидрида и железного купороса – отхода производства железоокисных пигментов – в качестве восстановителя.

С использованием синтезированных пигментов были изготовлены грунтовки и нанесены покрытия этих грунтовок на стальные пластинки. Покрытия испытывались на стойкость к 3%-ному раствору хлорида натрия.

Через 1 час выдержки их в растворе хлорида натрия, на поверхности покрытия с чистым CrPO4 * 3H2O (по 1 способу) появились мелкие пузыри, на поверхности покрытия с керновым пигментом – пузыри несколько крупнее. После 10 суток выдержки пластин в солевом растворе, покрытие с пластин было удалено и осмотрена поверхность металла. В обоих случаях под слоем грунт на поверхности металла образовался ярко выраженный фосфатный слой, защищающий металл от коррозии.

В связи с очень низким барьерным эффектом и низким рН водной вытяжки пигментов защитное действие только одного грунта без внешнего покрытия не совсем показательно. Поэтому было решено провести испытание двухслойного покрытия – грунта и эмали. Пластины с покрытиями выдерживали в 3%-ном растворе NaCl в течение 30 суток, затем высушивали и осматривали. Внешний вид всех пластин оставался без изменений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВЫВОДЫ:

  1. Синтезирован противокоррозионный пигмент-фосфат хрома (III) – двумя способами, в результате которых получен фосфат хрома (III) в чистом виде и в виде кернового пигмента с ядром из гетита и оболочкой из фосфата хрома (III).

  2. Определены укрывистости синтезированных пигментов. Установлено, что в случае синтеза кернового пигмента резко улучшается его кроющая способность, т.е. укрывистость его резко увеличивается по сравнению с материалами оболочки и ядра. Это открывает возможность синтеза высокоукрывистого и экономически выгодного кернового пигмента.

  3. Проведено сравнение противокоррозионных свойств железоокисного пигмента, смеси его с фосфатом хрома и кернового пигмента.

    4. Показано, что керновый пигмент обладает противокоррозионными свойствами и превышает по этому показателю смесь железноокисного пигмента с фосфатом хрома.

  4. Применение кернового пигмента экономически целесообразно, так как для его получения используется более дешевое сырье (отходы производства) и, благодаря его высокой укрывистости, уменьшается его содержание в лакокрасочном материале.

  5. Использование отходов производства имеет важное народно-хозяйственное значение.

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы:

 

    1. Е. Ф. Беленький, И. В. Рискин “Химия и технология пигментов”. – М.: “Химия”, 1974. – 656 с.

    2. И. А. Горловский, А. М. Бочарова, В. Д. Суворова “Лабораторный практикум по химии и технологии пигментов”. – М.: “Химия”, 1978. – 223 с.

    3. И. Л. Розенфельд, Ф. И. Рубинштейн “Антикоррозионные грунтовки и ингибированные лакокрасочные покрытия”. – М.: “Химия”, 1980. – 200 с.

    4. И. А. Горловский, Е. А. Индейкин, И. А. Толмачев “Лабораторный практикум по пигментам и пигментированным лакокрасочным материалам”. – учебное пособие для вузов – М.: “Химия”, 1990. – 240 с. и.л.

    5. П. И. Ермилов, Е. А. Индейкин, И. А. Толмачев “Пигменты и пигментированные лакокрасочные материалы”. – М.: “Химия”, 1987. – 200 с.

    6. Е. А. Индейкин, Л. Н. Лейбзон, И. А. Толмачев “Пигментирование лакокрасочных материалов”. – М.: “Химия”, 1986. – 160 с.