Исследование процесса гелеобразования водного раствора силиката натрия при действии различных кислот
Автор: Дюсенбиева К.Ж.
Журнал: Вестник Алматинского технологического университета @vestnik-atu
Рубрика: Естественные науки
Статья в выпуске: 3 (112), 2016 года.
Бесплатный доступ
В работе рассматривается возможность создания защитных покрытий на основе золь-гель метода. Изучено влияние рН среды, молярного отношения компонентов, модуля, концентрации силиката натрия на процесс гелеобразования. С помощью электронно-скани-рующего микроскопа был произведен элементный состав и морфология пленкообразующих растворов с различным содержанием водного раствора силиката натрия. Научная новизна и практическая значимость определяется тем, что предложен процесс гелеобразования при взаимодействии различных кислот с растворами жидкого стекла (водный раствор силиката натрия). Полученные покрытия могут быть использованы для модификации большого количества материалов, таких как стекло, бумага, синтетические полимеры, дерево, металл и текстиль.
Золь-гель метод, композиция, водный раствор силиката натрия, гелеобразование, гидролиз
Короткий адрес: https://sciup.org/140204868
IDR: 140204868
Текст научной статьи Исследование процесса гелеобразования водного раствора силиката натрия при действии различных кислот
Интерес к жидкому стеклу значительно возрос в последние годы. Он определяется широким спектром его ценных свойств, экологической чистотой производства, негорючестью и нетоксичностью, а также во многих случаях дешевизной и доступностью исходного сырья. Жидкое стекло - водный щелочной раствор различных силикатных солей. Жидкие стекла могут быть калиевые, натриевые, литиевые, а также на основе четвертичного аммония или других сильных органических оснований. Область составов жидких стекол охватывает широкий диапазон. Они начинаются с высокощелочных систем и высококремнеземистых полисили-катных растворов, и заканчиваются в области стабилизированных кремнезолей [1]. Основное свойство жидкого стекла, делающее его популярным, - эффективная клеящая способность. В структуре твердых материалов, подлежащих склеиванию, на поверхности молекулы связаны между собой не так прочно, как внутри. Внедряясь в структуру материала, жидкое стекло отдает ему влагу и увеличивает за счет адгезивности собственную плотность и вязкость.
Область применения жидкого стекла обширна, его применяют для изготовления кислотоупорного и гидроупорного цемента и бетона, для пропитывания тканей, приготовления огнеупорных красок и покрытий по дереву антипирены, укрепления слабых грунтов, в качестве клея для склеивания целлю лозных материалов, в производстве электродов, при очистке растительного и машинного масла. Применение жидкого стекла увеличивает срок эксплуатации материала или конструкций в несколько раз [2].
В последние годы получило интенсивное развитие направление в технологии неорганических композитов - формование материалов из растворов с использованием золь-гель процессов. Сущность этих процессов заключается в применении золей -коллоидных растворов, соответствующих оксидов и оксигидратов металлов, обладающих способностью в определенных условиях превращаться из жидких систем в твердые продукты.
Наиболее простой системой, используемой для получения золей является трехкомпонентная система тетраэтоксисилан-вода-этанол. Гидролиз протекает при кислотном, либо основном катализе. Гидролизуемые полимерные материалы дороги, дефицитны, требуют больших трудозатрат, в ряде случаев не имеют необходимой сырьевой базы, обладают повышенной токсичностью. Наиболее перспективными являются составы на основе жидкого стекла, которые лишены этих недостатков [3,4].
Настоящая работа посвящена разработке способа получения гелей на основе жидкого стекла.
Объекты и методы исследования
Исходные вещества.
Жидкое стекло - водный щелочной раствор силикатов натрия Na2Q(SiQ2)n и (или) калия K2Q(SiQ2)n. Реже в качестве жидкого стекла используют силикаты лития. Жидкое стекло растворимо в воде, вследствие гидролиза этот раствор имеет щелочную реакцию. В зависимости от концентрации водных растворов значение рН равно 10-13. Плотность и вязкость растворов жидкого стекла зависят от концентрации раствора, температуры и соотношения кремнекислоты к щелочи.
Плавиковая кислота, фтористоводородная кислота (гидрофторидная кислота) — водный раствор фтороводорода (HF). Промышленностью выпускается в виде 40 % (чаще), а также 50 % и 72 % растворов. Наз- вание «плавиковая кислота» происходит от плавикового шпата, из которого получают фтороводород.
Уксусная кислота — органическое вещество с формулой CH 3 COOH. Слабая, предельная одноосно́вная карбоновая кис лота. Соли и сложные эфиры уксусной кислоты называются ацетатами.
Азотная кислота — сильная одноосновная кислота (HNO 3 ). Твёрдая азотная кислота образует две кристаллические модификации с моноклинной и ромбической решётками. Азотная кислота смешивается с водой в любых соотношениях. В водных растворах она практически полностью диссоциирует на ионы. Образует с водой азеотропную смесь с концентрацией 68,4% и t кип 120°C при нормальном атмосферном давлении.
Морфология и состав поверхности пленкообразующих растворов были исследованы с помощью сканирующего электронного микроскопа марки Quanta 3D 200i Dual system, оборудованного системой локального рентгеноспектрального микроанализа.
Результаты и их обсуждение
Для приготовления золя в качестве основного компонента используют жидкое стекло, в качестве растворителя воду, в качестве катализатора гидролиза жидкого стекла выступают плавиковая кислота, уксусная кислота, азотная кислота. Время приготовления золя 30 минут, температура 40оС. Опыты проводили в стаканах на 100 мл, объем раствора жидкого стекла составлял 5 мл, 10 мл, 15 мл.
По результатам электронно-сканирую-щей микроскопии (Quanta 3D 200i Dual system, FEI.) были исследованы элементный состав и морфология пленкообразующих растворов с различным содержанием жидкого стекла-5%, 10%, 15%. Элементный состав для 5% содержания жидкого стекла составил: NaK – 5,70 %, SiK-13,76 % (рис. 1.) Второй раствор с 10% содержанием жидкого стекла NaK-10,71%, SiK-11,14% (рис. 2.) Элементный состав для 15% содержания жидкого стекла составил: NaK-21,17%, SiK-18,36% (рис. 3.) Из полученных данных видно что, различное содержание жидкого стекла, содержит разное содержание натрия, калия и кремния.

Рисунок 1 - СЭМ изображения и ЭДС анализ пленкообразующего раствора с 5% содержанием жидкого стекла

Рисунок 2 - СЭМ изображения и ЭДС анализ пленкообразующего раствора с 10% содержанием жидкого стекла

Рисунок 3 - СЭМ изображения и ЭДС анализ пленкообразующего раствора с 15 % содержанием жидкого стекла
Условия, используемые для подготовки золей - растворитель, pH, температура, концентрация, концентрация золя, определяют развитие частиц, а также их размер. Скорость гелеобразования зависит от типа кислоты, использованной при приготовлении золя. Было изучено влияние молярного отношения кислоты на процесс гелеобразования. В опытах использовали три кислоты, имеющих различную константу диссоциации (Kд) и разную основность. При действии на раствор жидкого стекла раствором HF (40%) гелеобразование наблюдается при рН = 8,5, концентрация
0,5-1 мл/л. При действии (CH 3 COOH (50%) гелеобразование наблюдается при рН = 8,5, концентрация 2-4 мл/л. При действии на раствор жидкого стекла раствором HNO 3 (68,4%) гелеобразование наблюдается при рН = 8,0, концентрация 1-2 мл/л. Причем, характер зависимости времен загеливания от рН для растворов жидкого стекла примерно одинаков. В зависимости от концентраци жидкого стекла 5 мл, 10 мл, 15 мл раствор приготовленного золя имеет разный цвет и плотность (рис. 4.)

-
а) б) в)
Рисунок 4 – пленкообразующие растворы: 5 мл жидкого стекла (а), 10 мл жидкого стекла (б), 15 мл жидкого стекла (в)
Выводы
-
1. В статье изложены исследования процесса гелеобразования при взаимодействии различных кислот с водными растворами силиката натрия. Были найдены оптимальные составы золь-гель систем и условий проведения синтеза.
-
2. С помощью электронно-сканирую-щей микроскопии исследован элементный состав пленкообразующих растворов с различным содержанием жидкого стекла 5% -NaK – 5,70%, SiK-13,76%, 10% - NaK-10,71%, SiK-11,14%, 15% - NaK -21,17%, SiK-18,36%.
Список литературы Исследование процесса гелеобразования водного раствора силиката натрия при действии различных кислот
- Нигматуллин Э.Н., Акчурин Х.И., Лен-ченкова Л.Е. Обоснование механизма гелеобразования в растворах полисиликатов натрия при действии кислот//Нефтегазовое дело. -2012.-№ 2.-С. 375 -382.
- Фиговский О.Л., Кудрявцев П.Г. Жидкое стекло и водные растворы силикатов, как перспективная основа технологических процессов получения новых нанокомпозиционных материалов//Инженерный вестник Дона.-2014. -Т. 29, № 2. -С. 55 -83.
- Шабанова Н.А., Саркисов П.Д. Золь-гель технологии. Нанодисперсный кремнезем//Бином. Лаборатория знаний. -М., 2012.-309 с.
- Дюсенбиева К.Ж., Таусарова Б.Р., Кутжа-нова А.Ж. Антимикробная обработка целлюлозного текстильного материала на основе жидкого стекла золь-гель методом//материалы Международной научно-практической конференции «Инновационные подходы и технологии для повышения эффективности производств в условиях глобальной конкуренции», г. Семей, 1 марта 2016г. -С-30-33.