مرور اجمالی بر کاربردهای اسید فسفریک و عوامل اتصال فسفاتی

مرور اجمالی بر کاربردهای اسید فسفریک و عوامل اتصال فسفاتی

این مقاله در مجله صنعت نسوز، شماره هشتم، تابستان ۱۳۹۶، از صفحه ۴۶ تا صفحه ۴۹ به چاپ رسیده است.

نویسندگان:

محسن امین، مدیر طراحی محصول و کنترل کیفیت – شرکت دانش بنیان گروه پاترون

حسن بداغی، مدیر تحقیق و توسعه – شرکت دانش بنیان گروه پاترون

 محمدحمید وکیل نژاد، کارشناس تحقیق و توسعه – شرکت دانش بنیان گروه پاترون و دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی نانوفناوری – نانومواد دانشگاه علم و صنعت ایران

 

جهت دریافت فایل پی دی اف این مقاله لطفا اینجا را کلیک بفرمایید.

 

 

۱- مقدمه

اگرچه اسید فسفریک (H3PO4) به تنهایی دارای خواص چسبندگی نیست، ولی در واکنش با اکسیدهای فلزی، نمک­هایی را تشکیل می­دهد که خود به عنوان اتصال­دهنده عمل می­کنند. دیرگدازهایی که در آنها از چسب­های فسفاتی استفاده می­شود به عنوان ” دیرگدازهای اتصال فسفاتی[۱] ” شناخته می­شوند.

به طورکلی، یون (PO4)3-  در H3PO4 به­عنوان رادیکال اسیدی شناخته می­شود. اسید فسفریک و دیگر فسفات­ها در برگیرنده رادیکال­های دیگری مانند (P2O7)4- ، (PnO3n+1)(n+2)- ، (PO3)  هستند.

۲- تعریف اسید فسفریک

اسید فسفریک به نام­های مختلف وجود دارد که در جدول۱ نشان داده شده است. اما استفاده از اسید ارتوفسفریک یا H3PO4 عمومیت بیشتری دارد. بنابراین عموماً در به کار بردن نام اسید فسفریک منظور اسید ارتوفسفریک یا H3PO4 می­باشد.

[۱] Phosphate-Bonded Refractories

 

جدول۱- انواع اسید فسفریک و خواص آنها

نام

فرمول شیمیایی

خواص

اسید هیپو فسفری

H3PO2

دمای ذوب oC27، کریستال بی­رنگ

اسید فسفری

H3PO3

دمای ذوب oC72 ، کریستال بی­رنگ

اسید هیپو فسفریک

H4P2O6

اسید چهار ظرفیتی

اسید متافسفریک

(HPO3)n

بی­رنگ و شیشه­ای

اسید پیروفسفریک

H4P2O7

دمای ذوب oC61، بی­رنگ، کریستال­های سوزنی شکل یا شیشه­ای جامد

اسید ارتوفسفریک

H3PO4

دمای ذوب oC43، بی­رنگ، کریستال شفاف

 

 

۳- خواص مهم اسید فسفریک

اسید فسفریک خالص دارای دانسیته ۱٫۸۸ g/cm3 است. اسید فسفریک در بازار به صورت محلول آبی۵۰ تا ۸۵ درصد به فروش می­رسد. هر کدام از این نوع اسید فسفریک­ها خواص منحصر به فرد خود را دارند. به عنوان مثال اسید فسفریک ۸۵ درصد دارای نقطه ذوب oC21 و چگالی ۱٫۶۸ g/cm3 می­باشد و مقدار P2O5 در آن در حدود ۶۲درصد است، در حالیکه اسید فسفریک ۸۰ درصد، نقطه ذوب oC5، چگالی ۱٫۶۳ g/cm3 و درصد P2O5 در آن ۵۸درصد است.

 

۴- واکنش میان اسید فسفریک و اکسیدها یا هیدروکسیدها

اسید فسفریک با اکسیدها یا هیدروکسیدها واکنش می­کند و با تشکیل نمک باعث ایجاد اتصال در دیرگدازها می­گردد. اسید فسفریک و هیدروکسید آلومینیوم Al(OH)3 در دمای اتاق واکنش می­دهند و تشکیل نمک می­دهند ولی واکنش میان اسید فسفریک و آلومینا در دمای اتاق به آهستگی اتفاق می­افتد و برای تکمیل واکنش باید دما افزایش یابد. بنابراین هنگامی که دما افزایش می­یابد، اسید فسفریک دی­هیدراته شده و با آلومینا واکنش می­دهد تا مونوآلومینیوم فسفات[۱] تشکیل می­گردد:

Al2O3+3H3PO4= 2Al(H2PO4)3+3H2O

 

این واکنش در دمای بالای oC۱۲۷ شروع گردیده و تا دمای oC۴۲۷ ادامه می­یابد. در دمای بین oC۷۳۲ تا oC۱۳۲۷، ارتو آلومینیوم فسفات یا AlPO4 شکل می­گیرد. بنابراین در دیرگدازهای آلومینایی این واکنش اتفاق می­افتد و باعث ایجاد پیوند خواهد شد.

۵- نقش اسید فسفریک در دیرگدازهای آلومینوسیلیکاتی

در دیرگدازهای آلومینوسیلیکاتی که در بردارنده SiO2 می­باشد، در دماهای اولیه سیلیس با اسید فسفریک واکنش نمی­کند و تنها Al(H2PO4)3 تشکیل می­گردد. ولی در دمای بین oC۱۱۰۰ تا oC۱۳۰۰ ترکیباتی مانند SiO2.P2O5 و ۲SiO2.P2O5 به همراه فاز مایع تشکیل می­گردد. بنابراین ترکیبات SiO2-P2O5 به دلیل نسوزندگی پایین برای مواد دیرگداز مناسب نیستند که در شکل ۱ نشان داده شده است:

[۱] MAP = Al(H2PO4)3

 

 

شکل۱ ترکیبات با نقطه ذوب پایین

شکل۱- ترکیبات با نقطه ذوب پایین ناشی از واکنش SiO2 و P2O5

 

 

۶- واکنش اسید فسفریک با اکسیدمنیزیم یا هیدروکسیدمنیزیم

اسید فسفریک به سرعت با هیدروکسید منیزیم و اکسیدمنیزیم (منیزیا) واکنش می­کند و تشکیل Mg(H2PO3)2 می­دهد، ولی پیوندزایی آن ضعیف است. همچنین اسید فسفریک با منیزیا تشکیل فازهای دما پایین می­دهد که باعث افت خواص نسوزندگی همانند استحکام خمشی گرم می­گردد که در شکل ۲ نشان داده شده است.

شکل۲- دیاگرام دوتایی MgO-P2O5

شکل۲- دیاگرام دوتایی MgO-P2O5

 

 

۷- فسفات آلومینیوم

ترکیب شیمیایی فسفات آلومینیوم بسیار پیچیده است و بسیاری از آنها هنوز ناشناخته اند. مهم­ترین ترکیب فسفات آلومینیوم که بیشترین کاربرد را در تولید فرآورده­های دیرگداز دارد ” مونوآلومینیوم فسفات ” یا به اختصار MAP با فرمول شیمیایی Al(H2PO4)3 است. دلیل استفاده بیشتر از MAP در میان دیگر ترکیبات فسفات آلومینیوم، انحلال­پذیری بیشتر در آب، استحکام اتصال بالا و پایداری مناسب آن می­باشد.

۱-۷- تولید مونوآلومینوم فسفات (MAP)

مونو آلومینیوم فسفات از طریق واکنش بین اسید فسفریک و هیدروکسیدآلومینیوم در دمای بین oC۱۰۰ تا oC۲۰۰ به دست می­آید:

Al(OH)3+3H3PO4= Al(H2PO4)3+3H2O

در واقعیت تولید مونوآ­لومینیوم فسفات به صورت استوکیومتری که نسبت مولی دقیق Al2O3/P2O5=0.33 داشته باشد، دشوار است. نسبت مولی واقعی محصول تولید شده مونوآلومینیوم فسفات بین۰٫۳  تا ۰٫۳۵ می­باشد. محصول تولیدی مونوآلومینیوم فسفات می­تواند توسط اسپری درایر خشک گردیده و به صورت پودر حاصل گردد، که بلافاصله هنگامی که در تماس با آب قرار می­گیرد به دلیل خاصیت آب دوستی، به صورت محلول در می­آید.

۲-۷- خواص مونوآلومینیوم فسفات

ماهیت محلول مونو آلومینیوم فسفات اسیدی است و pH آن در حدود ۱٫۴ است. مونوآلومینیوم فسفات در دمای اتاق به سرعت سخت نمی­شود و زمانی که حرارت می­بیند در دمای حدود oC۱۰۰، بخشی از آب ساختاری خود را از دست داده و سخت می­گردد. اما این اتصال زمانی که در تماس با هوا قرار می­گیرد افت می­کند، زیرا رطوبت هوا را مجدداً جذب کرده و استحکام کاهش می­یابد. برای اینکه از این اتفاق جلوگیری گردد، دیرگدازی که اتصال آن مونوآلومینیوم فسفات است را باید تا دمای بالای oC۳۵۰ حرارت داد. زیرا در بالای oC۳۵۰، خاصیت آب دوستی خود را از دست داده و استحکام آن افت نخواهد کرد.

یکی از راه­هایی که می­توان سرعت واکنش مونوآلومینیوم فسفات در دمای پایین را تشدید کرد استفاده از عامل گیرش­کننده است که معمولاً این عامل منیزیا (MgO) است. واکنش بین مونوآلومینیوم فسفات و منیزیا گرمازا است. این واکنش به نسبت مولی P/(Al+Mg) بستگی دارد:

الف ) اگر نسبت مولی P/(Al+Mg) برابر ۱ باشد :

در دماهای پایین محصول واکنش MgHPO4.3H2O خواهد بود و در ادامه با افزایش دما واکنش های زیر اتفاق خواهد افتاد:

Al(H2PO4)3+MgO= AlPO4.mH2O+ MgHPO4.3H2O+ [AlH3(PO4)2.3H2O]

at 150 – ۲۰۰۰c= AlPO4(Tri)+ فسفات منیزیم آمورف                           at 650 0c = AlPO4(Tri)+ Mg2P2O7

                  at 900-10000c = AlPO4(Cri)+ Mg3(PO4)2

ب ) اگر نسبت مولی P/(Al+Mg) برابر ۱٫۵ باشد :

 

  • Ber= Berlinite
  • Tri= Tridymite
  • Cri=Cristobalite

 

چنانچه در واکنش­های بالا نشان داده شده است، منیزیا باعث تشکیل فازهای به نقطه ذوب پایین مثل Mg3(PO4)2 با نقطه ذوب oC۱۳۵۷ و Mg(PO3)2 با نقطه ذوب oC۱۱۶۵ می­گردد که باعث افت خواص دمای بالای دیرگدازهای حاوی مونوآلومینیوم فسفات می­گردد. همچنین منیزیا باعث شکستن اتصالات سه­بعدی مونوآلومینیوم فسفات می­گردد. در نتیجه هرچند در دمای پایین این ماده به عنوان عامل گیرش­کننده و افزایش­دهنده سرعت واکنش عمل می­کند ولی در دماهای بالا باعث افت نسوزندگی خواهد شد.

 

منابع:

[۱] Hand book of refractory practice 2005 / published by Harbison – walker Refractories Company.

[۲] Technology of monolithic refractories published and distributioned by Plibrico Japan Company.

 

 

 

 

 

POST YOUR COMMENT

Your email address will not be published.