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%.