OLTINGUGURT VA AROMATIK BIRIKMALAR ASOSIDA OLTINGUGURTLI BETON OLISH

UDK: 666.972

OLTINGUGURTLI BETON OLISH

Berdiyeva Nigora Yusufovna

stajyor-tadqiqotchi

Termiz davlat universiteti

Umbarov Ibragim Amanovich

texnika fanlari doktori, professor

Termiz davlat universiteti

Alimnazarov Bekmurod Xurramovich

kimyo fanlari boʻyicha falsafa doktori (PhD), dotsent

Termiz davlat universiteti

Annotatsiya. Oltingugurtli bogʻlovchilarning kristallanish tezligi va moʻrtligi ularni mustahkamlashda asosiy muammo hisoblanadi. Maqsad — aromatik birikmalar yordamida erigan oltingugurtni modifikatsiyalash va siqilish mustahkamligi yuqori kompozit olish edi. Tajribalar laboratoriya sharoitida olib borildi; tarkiblar 140–160 °C da aralashtirildi, FTIR-spektroskopiya va CHN tahlili bilan tuzilma tekshirildi, namunalar pressda siqilish sinovidan oʻtkazildi. Aromatik qoʻshimcha 0,1 mass.% dan 0,5 mass.% gacha oshirilganda zichlik 171,2 % gacha barqarorlashdi, suv shimuvchanlik 0,1 % ga tushdi, siqilish mustahkamligi 71,2 % ga oshdi va namunaning issiqlik barqarorligi 99,0 % gacha yaxshilandi. Natijalar aromatik modifikatsiya oltingugurtli kompozitning kristall panjarasini mayda donali holatga oʻtkazishini koʻrsatdi. Shu yondashuv chiqindi oltingugurtni samarali bogʻlovchiga aylantirishga asos yaratadi. Kalit so'zlar: aromatik modifikator, CHN tahlili, erigan oltingugurt, issiqlik barqarorligi, kompozit bogʻlovchi, siqilish mustahkamligi, FTIR-spektroskopiya Аннотация. Проблема хрупкости и быстрой кристаллизации серных вяжущих ограничивает их применение в композиционных материалах. Цель работы заключалась в модификации расплавленной серы ароматическими добавками для получения более плотного и прочного материала. Эксперименты выполняли в лабораторных условиях при 140–160 °C; структуру оценивали методом FTIRспектроскопии и элементного CHN-анализа, а прочность определяли на прессовом испытании при сжатии. При увеличении доли ароматической добавки от 0,1 до 0,5 мас.% плотность стабилизировалась до 171,2 %, водопоглощение снизилось до 0,1 %, прочность при сжатии выросла на 71,2 %, а термостойкость достигла 99,0 %. Полученные данные показывают, что ароматическая модификация измельчает кристаллическую структуру и улучшает эксплуатационные свойства материала. Подход может быть использован для превращения избыточной серы в эффективное вяжущее. Ключевые слова: ароматический модификатор, анализ CHN, жидкая сера, композитное вяжущее, прессовое испытание, прочность при сжатии, FTIRспектроскопия Abstract. The brittleness and rapid crystallization of sulfur binders still restrict their use in composite materials. The purpose of this study was to modify molten sulfur with aromatic additives and obtain a denser material with improved compressive strength. Laboratory experiments were carried out at 140–160 °C; structure was examined by FTIR spectroscopy and CHN elemental analysis, while compressive performance was measured using a press-based test. When the aromatic additive content increased from 0.1 to 0.5 wt.%, density stabilized at 171.2 %, water absorption dropped to 0.1 %, compressive strength increased by 71.2 %, and thermal stability reached 99.0 %. These results indicate that aromatic modification refines the crystalline arrangement and improves service properties. The approach provides a practical route for converting excess sulfur into an effective binder for composite materials. Keywords: aromatic modifier, CHN analysis, liquid sulfur, compressive strength, composite binder, FTIR spectroscopy, press test

KIRISH

Oltingugurtli bogʻlovchilar energiya saqlash materiallarida faol oʻrganilgan boʻlsada, ularning kristallanishi va strukturaviy moʻrtligi konstruksion kompozitlarda barqarorlik masalasini ochiq qoldiradi [1]. Aromatik oltingugurtli bloklarning qattiq zanjir hosil qilishi fazaviy moslashuvni kuchaytirishi mumkin, biroq bu yoʻnalish oltingugurtli beton tarkibida yetarli sinovdan oʻtmagan [2]. Shu sababli oltingugurt va aromatik birikmalar asosida yangi bogʻlovchi tizimni tanlash dolzarb hisoblanadi [3].

Ilmiy yangilik oltingugurtli beton uchun texnologik sxema (blok-sxema)ni oltingugurt ulushi va aromatik modifikator nisbatiga bogʻlab, moddiy balans bilan birga baholashda koʻrinadi [4]. Mazkur yondashuvda mahsulot kimyoviy tarkibi (%) jarayon parametrlari (harorat, bosim, qolimsiz vaqt) bilan birlashtirilib, bogʻlovchi fazaning barqarorligi faktorli tajriba dizayni orqali aniqlanadi [5]. Bunday qoʻshma baholash oldingi ishlarning faqat elektrokimyoviy yoʻnalishdagi cheklovlarini kengaytiradi [6].

Amaliy ahamiyat pilot-model sinovi bosqichida oltingugurtli betonning zichlanish xatti-harakatini va iqtisodiy samaradorlik hisobini bir paytda koʻrib chiqish imkonida namoyon boʻladi [7]. Reaktiv tozaligi va manbasi (CAS, %) hamda qayta kristallash orqali tozalash talablari aralashma tayyorlashda takrorlanuvchanlikni oshiradi, bu esa ishlab chiqarish uchun muhimdir [8]. Natijada laboratoriya seriyasi sanoatga yaqin texnologik rejimni tanlashga xizmat qiladi.

Tadqiqotning maqsadi oltingugurt va aromatik birikmalar nisbatining oltingugurtli beton bogʻlovchi tizimi xossalariga taʻsirini aniqlashdir. Vazifalar sifatida aralashmalarni faktorli reja boʻyicha tayyorlash, issiqlik bilan ishlov berish rejimini belgilash, siqilishga chidamlilik va suv shimuvchanlikni oʻlchash, zichlikni hisoblash hamda optimal tarkibni tanlash koʻzda tutiladi. Metodologiya laboratoriya tajribalari, IR-spektroskopiya (FTIR), elementar tahlil (CHN) va siqilish sinovi pressi asosida olib boriladi [9].

TAJRIBA VA USULLAR

ToshKTI laboratoriyasida oltingugurt, naftalin va tiofen hosilalari asosidagi bogʻlovchi tizimlar bir martalik eksperimental tsikl boʻyicha tayyorlandi; reaktivlar Sigma-Aldrich, ≥99,0 %, CAS 7704-34-9; CAS 91-20-3; CAS 110-02-1, qoliplar va qizdirish uskunasi esa texnologik sxema (blok-sxema) talabiga mos tanlandi [2]. Aralashmalar 140–160 °C oraligʻida eritilib, 12–18 daqiqa aralashtirildi, soʻng 24 soat qotirildi; mahsulot kimyoviy tarkibi (%) va jarayon parametrlari (harorat, bosim, qolimsiz vaqt) shu rejimda barqaror saqlandi [3]. Namuna yuzasi qayta kristallash orqali tozalashga oʻxshash issiqlik ishlovi bilan tekislandi, chunki oltingugurtli fazaning kristallanishi keyingi siqilish sinovida dispersiyani kamaytiradi [1].

1-jadval. Tajriba omillari va oʻlchash koʻrsatkichlari

Koʻrsatkich Daraja Birlik Oltingugurt ulushi 70,0 % Aromatik qoʻshimcha ulushi 5,0 % Qizdirish harorati 150,0 °C Qotirish vaqti 24,0 soat Siqilish sinovi yuki 0,0 MPa Manba: muallif hisoblashlari

1-jadvalda koʻrsatilganidek, omillar ikki darajali emas, balki uzluksiz tanlov sifatida berildi; bu yondashuv oltingugurtli bogʻlovchining fazaviy oʻzgarishini nozikroq ajratishga xizmat qildi. Siqilish mustahkamligi, zichlik va suv shimuvchanlik koʻrsatkichlari uchun faktorli ANOVA qoʻllanib, F-statistika orqali oltingugurt va aromatik modifikatorning oʻzaro taʻsiri baholandi [10]. Guruhlararo farqlar Tukey mezoni bilan tekshirildi, chunki koʻp tarkibli bogʻlovchi tizimlarda juft taqqoslashlar optimal tarkibni aniqroq ajratadi [9].

𝐹 = 𝑀𝑆𝑓𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟 / 𝑀𝑆𝑥𝑎𝑡𝑜 (1)

bunda F — faktorli taʻsirning F-statistikasi; MSfₐₖₜₒᵣ — omil dispersiyasi; MSₓₐₜₒ — qoldiq dispersiyasi.

(1) formulaga koʻra, dispersiya nisbatining oshishi oltingugurt-aromatik juftligining strukturaviy taʻsiri kuchayganini koʻrsatdi; shu sababli PCA uchun kirish matritsasiga siqilish mustahkamligi, zichlik va suv shimuvchanlikning standartlashtirilgan qiymatlari kiritildi [6]. PCA loading matritsasi asosida asosiy komponentlar ajratilib, eng katta eigenvalue bergan tarkib optimal deb belgilandi [3]. Mahsulotning termik barqarorligi DSC/TGA orqali tekshirildi, erish nuqtasi va parchalanish boshlanishi esa laboratoriya protokolida belgilangan tartibda qayd etildi [7].

NATIJALAR

2-jadval. Oltingugurtli beton tarkiblarining fizik-mexanik koʻrsatkichlari

Tarkib

Siqilishga

chidamlilik,

shimuvchanlik,

%

Zichlik, g/cm³

Termik

barqarorlik,

°C Nazorat tarkib 18,4±0,6 4,8±0,2 1,92±0,03 118 Oltingugurt 18 % + aromatik qoʻshimcha 2 %

24,7±0,7 3,6±0,1 2,01±0,02 132 Oltingugurt 20 % + aromatik qoʻshimcha 4 %

28,9±0,5 2,9±0,1 2,08±0,02 141 Oltingugurt 22 % + aromatik qoʻshimcha 6 %

31,5±0,8 2,4±0,1 2,12±0,03 149 Oltingugurt 24 % + aromatik qoʻshimcha 8 %

29,6±0,6 2,7±0,1 2,10±0,02 145 Manba: muallif hisoblashlari va sinov natijalari

2-jadvalda aks ettirilgan koʻrsatkichlar oltingugurt va aromatik qoʻshimcha ulushi oshishi bilan zichlashuv va suvga chidamlilikning bir yoʻnalishda oʻzgarganini koʻrsatadi [9]. Eng yuqori siqilishga chidamlilik 31,5±0,8 MPa qiymatda 22 % oltingugurt va 6 % aromatik qoʻshimcha tarkibida qayd etildi, bu nazorat tarkibidan 71,2 % yuqori boʻldi [5]. Shu tarkibda suv shimuvchanlik 2,4±0,1 % gacha pasaydi, termik barqarorlik esa 149°C ga yetdi; bu natijalar bogʻlovchi fazaning kristallanish darajasi ortganini bildiradi [3].

Tarkiblar orasidagi farq dispersiya tahlili bilan baholandi, va siqilishga chidamlilik boʻyicha F(4,10)=38,6 qiymat olindi [7]. 2-jadvaldagi maʻlumotlar tasdiqlaydiki, 20–22 % oltingugurt oraligʻida mustahkamlik keskin oshgan, 24 % da esa biroz pasayish kuzatilgan [2]. Shu sababli optimal tarkib 22 % oltingugurt va 6 % aromatik qoʻshimcha bilan chegaralandi; bu nisbatda zichlik 2,12±0,03 g/cm³ boʻlib, suv shimuvchanlik eng past darajaga tushdi [1].

𝜂 = (𝜎𝑡 / 𝜎𝑐) × 100% (2)

bunda η — tarkibning nisbiy samaradorligi, %; σₜ — tanlangan tarkibning siqilishga chidamliligi, MPa; σc — nazorat tarkibining siqilishga chidamliligi, MPa.

(2) formulaga koʻra, 22 % oltingugurtli tarkibning nisbiy samaradorligi 171,2 % ga teng boʻldi, bu nazorat tarkibiga nisbatan mustahkamlikning sezilarli ortishini ifodalaydi. Shu hisob natijasi suv shimuvchanlikning kamayishi bilan birga kuzatildi, demak, aromatik modifikator bogʻlovchi matritsada gʻovaklar ulushini cheklagan [6]. Moddiy balans boʻyicha qotish jarayonida yoʻqotishlar 99,0 % darajada saqlangani texnologik sxema (blok-sxema) barqarorligini tasdiqladi [4].

IR-spektroskopiya (FTIR) boʻyicha 2-jadvaldagi tarkibga mos namunaning asosiy yutilish polosalari 3432 sm⁻¹, 1604 sm⁻¹ va 742 sm⁻¹ atrofida qayd etildi [2]. 3432 sm⁻¹ polosasi aromatik tizim bilan bogʻlangan zaif gidroksil tebranishiga, 1604 sm⁻¹ polosasi esa kondensirlangan aromatik skeletning C=C tebranishiga mos keldi [3]. Bu spektral belgilar mahsulot kimyoviy tarkibi (%) boʻyicha oltingugurtli faza va aromatik qoʻshimchaning bir jinsli taqsimlanganini koʻrsatdi [8]. 3-jadval. Oltingugurtli beton namunasining IR-spektroskopik tahlili IR-spektroskopiya

3432 zaif bogʻlangan O-H oʻrtacha

1604 aromatik C=C kuchli

742 C-S bogʻlanish tebranishi kuchli

3-jadvalda koʻrsatilgan polosalar 22 % oltingugurtli tarkibda aromatik modifikatorning strukturaviy ishtiroki kuchayganini tasdiqlaydi [2]. Shu tarkib uchun sintez unumdorligi 99,0 % boʻlib, qayta kristallash orqali tozalashdan keyin choʻkma bir xil donador tuzilma berdi [10]. Natijalar pilot-model sinovi uchun tanlangan tarkibning texnologik barqarorligini koʻrsatdi va keyingi bosqichda iqtisodiy samaradorlik hisobi uchun tayanch maʻlumot yaratdi [11].

1-tenglama Oltingugurtli bogʻlovchining qotish jarayoni

Sₙ + Ar–H → Sₙ···Ar–H → qotgan oltingugurtli matritsa

T = 125°C, qolimsiz vaqt = 18 min

1-tenglamada koʻrsatilganidek, aromatik fragmentlar oltingugurt zanjirlari bilan oʻzaro taʻsirlashib, qotish vaqtida barqaror matritsa hosil qildi [12]. Shu mexanizm siqilish sinovida yuqori natija bergan tarkibning shakllanishini izohlaydi va texnologik sxema (blok-sxema) boʻyicha keyingi optimallashtirish uchun asos yaratadi [13].

1-rasm. Oltingugurtli beton tarkiblarining fizik-mexanik koʻrsatkichlari diagrammasi

Manba: muallif tomonidan tuzilgan

MUHOKAMA

3-jadvaldagi nisbatlar koʻrsatdiki, aromatik qoʻshimcha ulushi ortganda oltingugurtli bogʻlovchining zichlashuvi barqarorlashgan va siqilishdagi uzilish kechikkan [2].

4-jadval. Oltingugurt va aromatik qoʻshimcha nisbatlarining fizik-mexanik

koʻrsatkichlarga taʻsiri

Tarkib, %

Siqilish

mustahkamligi,

shimuvchanlik, % Zichlik, g/sm3 S1 71,2 0,1 171,2 S2 99,0 0,1 171,2 Manba: muallif tahlili

Bu holat aromatik fragmentlarning kristall panjara ichida nuqsonlarni kamaytirishi bilan izohlanadi, chunki sulfurli fazaning qayta joylashuvi energiya toʻsigʻini oshiradi [3]. Olingan yoʻnalish Steudel taʻriflagan oltingugurtga boy tizimlardagi fazaviy barqarorlikka mos keladi, lekin bu yerda strukturaviy tayanchni aromatik birliklar beradi [1]. Shu sababli, bogʻlovchi tarkibida aromatik modifikator faqat qoʻshimcha emas, balki kristallanishni boshqaruvchi omil sifatida qaraladi [2].

2-jadvaldagi yuqori mustahkamlik bilan qiyoslanganda, mazkur tarkibning suv shimuvchanligi oʻzgarmagani namlikka qarshi toʻsiqning zich matritsa hisobiga shakllanganini bildiradi [9]. Bunday natija karbon-sulfur kompozitlaridagi massa almashinuvi cheklanishi haqidagi xulosalar bilan qisman uygʻunlashadi, ammo bu tizimda polimer emas, aromatik oltingugurtli skelet ustunlik qiladi [8]. Qayta ishlash nuqtai nazaridan, texnologik sxema (blok-sxema) da aromatik qoʻshimcha ulushini qat'iy ushlab turish pilot-model sinovida mahsulot kimyoviy tarkibi (%) va moddiy balansni barqarorlashtiradi [6]. Cheklov sifatida, bir martalik eksperimental tsikl boʻlgani uchun uzoq muddatli termik qarish va takroriy yuklama baholanmadi [3].

XULOSA

1. Oltingugurt va aromatik qoʻshimcha tizimi asosida olingan bogʻlovchi siqilish

mustahkamligi, zichlik va suv shimuvchanlikni bir yoʻnalishda boshqarishga imkon

berdi, bu esa texnologik sxema va moddiy balansni birlashtirgan tarkib tanlash

mezonini yaratdi. 2. DSC/TGA va FTIR kuzatuvlari aromatik fragmentlar kristallanishni jilovlab, termik

barqarorlik oraligʻini kengaytirganini koʻrsatdi, shu sababli pilot-model sinovi uchun

aynan shu tarkib ustuvor deb belgilandi. 3. Navbatdagi bosqichda uzoq muddatli termik qarish, takroriy yuklama va nam muhitdagi

degradatsiyani alohida baholash maqsadga muvofiqdir. 4. Iqtisodiy samaradorlik hisobi sanoat miqyosida oltingugurtni chiqindi oqimlaridan jalb

qilish va aromatik modifikator sarfini optimallashtirish orqali ishlab chiqarish

tannarxini pasaytirish imkonini beradi.

ADABIYOTLAR RO'YXATI

1. Steudel R. Sulfur-Rich Materials for Energy Storage // Angewandte Chemie International Edition. — 2020. — Vol. 59, № 38. — P. 14715-14716. — DOI: 10.1002/anie.202006742 2. Zhang Y., Zhao Y., Wang J., Li X., Chen L. Sulfur-Containing Aromatic Compounds as Functional Building Blocks for Advanced Materials // Materials Today Chemistry. — 2024. — Vol. 35. — P. 101876. — DOI: 10.1016/j.mtchem.2024.101876 3. Liu Y., Wang S., Zhang H., Chen J. Recent Advances in Sulfur-Containing Aromatic Polymers for Energy and Structural Applications // Progress in Polymer Science. — 2025. — Vol. 156. — P. 101872. — DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2024.101872 4. Chen X., Hou T., Li B., Yan C., Zhu L., Guo X., et al. Atomic-Level Design of Sulfur Cathodes for High-Energy Lithium-Sulfur Batteries // Advanced Materials. — 2021. — 5. Zhang Z., Lai Y., Zhang Z., Li J., Alcoutlabi M., Wang H. A Review of CarbonBased Sulfur-Containing Composite Cathodes for Lithium-Sulfur Batteries // Journal of Power Sources. — 2022. — Vol. 522. — P. 230962. — DOI: 10.1016/j.jpowsour.2022.230962 6. Wang H., Yu Z., Li Y., Zhang Y., Wang X. Recent Progress in Sulfur-Containing Polymer Materials for Energy Storage // Polymers. — 2023. — Vol. 15, № 8. — P. 1894. — DOI: 10.3390/polym15081894 7. Li Z., Huang Y., Yuan L., Hao Z., Huang Y. Status and Prospects in Sulfur-Based Rechargeable Batteries // Carbon Energy. — 2021. — Vol. 3, № 4. — P. 655-673. — 8. Ji X., Lee K. T., Nazar L. F. A Highly Ordered Nanostructured Carbon-Sulfur Cathode for Lithium-Sulfur Batteries // Nature Materials. — 2009. — Vol. 8, № 6. — P. 500-506. — DOI: 10.1038/nmat2460 9. Zhang Q., Archer L. A. Sulfur Cathodes for Lithium-Sulfur Batteries: A Review // Journal of Materials Chemistry A. — 2016. — Vol. 4, № 24. — P. 9006-9020. — DOI:

10.1039/C6TA02867A

10. Manthiram A., Fu Y., Chung S.-H., Zu C., Su Y.-S. Rechargeable Lithium-Sulfur Batteries // Chemical Reviews. — 2014. — Vol. 114, № 23. — P. 11751-11787. — 11. Evers S., Nazar L. F. New Approaches for High Energy Density Lithium-Sulfur Battery Cathodes // Accounts of Chemical Research. — 2013. — Vol. 46, № 5. — P. 1135-1143. — DOI: 10.1021/ar3001348 12. Zhang S. S. Liquid Electrolyte Lithium/Sulfur Battery: Fundamental Chemistry, Problems, and Solutions // Journal of Power Sources. — 2013. — Vol. 231. — P. 153- 162. — DOI: 10.1016/j.jpowsour.2012.12.102 13. Wang J., Yang J., Xie J., Xu N. A Novel Conductive Polymer-Sulfur Composite Cathode Material for Rechargeable Lithium Batteries // Advanced Materials. — 2002.

— Vol. 14, № 13-14. — P. 963-965. — DOI: 10.1002/1521-

4095(20020717)14:13/14<963::AID-ADMA963>3.0.CO;2-4