УДК 691.554 КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

УДК 691.554

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

НА ОСНОВЕ ПРИРОДНЫХ СИЛИКАТОВ

Широкий диапазон применения жидкого стекла объясняется его коллоидной природой. Разнообразные химические свойства жидкого стекла проявляются при взаимодействии со многими веществами. Известно, что материалов, не реагирующих с жидким стеклом, меньше, чем вступающих с ним в химическое или даже простое физическое взаимодействие. При этом образуются новые вещества, представляющие как практический, так и теоретический интерес.

Понятие «жидкое стекло» достаточно широко и включает в себя водные растворы силикатов, независимо от вида, концентрации кремнезема, его полимерного строения и способа его получения. Жидкое стекло могут быть калиевые, натриевые, литиевые, а также на основе четвертичного аммония. Исследования в области высокомолекулярных соединений позволяют провести аналогию между этими соединениями и жидкими стеклами, то есть отвести последние к растворам полимеров. Об этом, в частности, свидетельствует S – образный вид реологических кривых растворов жидкого стекла, обусловленный эффектами деформации и ориентации структурных элементов, когда часть связей, разрушенных под действием приложенных нагрузок, восстанавливается, а затем разрушается.

Жидкое стекло представляет собой золь, мицеллами которого являются гидратированные ионы щелочного силиката. Утверждается, что при этом гидратированные ионы щелочного силиката представляют собой ленточный неорганический полимер, состоящий из четырехчленных колец с анионом (Si₂O₅)^2-, а затем трисиликата – из шестичленных колец с повторяющимся радикалом (Si₃O₇)^2-Уникальные свойства жидкого стекла, как строительного материала, обусловили его широкое применение в практике строительства. Цель нашей работы получение высокопористых, устойчивых к агрессивным средам композиционных материалов на основе щелочных и природных силикатов (пеносиликатов). Такие материалы, создаваемые на основе различных коллоидных и микрогетерогенных форм кремнезема, подходят для строительства жилых домов, административных и производственных зданий и сооружений [1,2]. При этом их применение дает возможность уменьшить толщину ограждающих конструкций, что способствует снижению стоимости строительства и сокращению эксплуатационных расходов.

Преимуществом таких материалов является, с одной стороны, неорганический состав, поэтому они устойчивы против различных микроорганизмов и не выделяют в процессе эксплуатации вредных веществ. С другой стороны, сырьем для их получения служат кварцевый песок и сода, отходы строительных материалов, а также отходы заводов по производству керамики и фарфора, что обеспечивает экологически чистое производство, помогает снизить себестоимость продукции и способствует их широкому использованию.

Нами разработана технологическая схема получения таких материалов, включающая синтез «силикат глыбы», роспуск в автоклаве, получение жидкого стекла, введение в него наполнителя, получение гранул в присутствии отвердителя, термообработка, высушивание при температуре 160-200 °С, вспенивание материала при температуре 300 - 400 °С.

Для получения пористых материалов применяли жидкое стекло с силикатным модулем 2,5, исполняющим роль связующего. В качестве отвердителей использовали раствор СаС1₂, в качестве наполнителей - группу магнезиальных силикатов: тремолит Алгуйского месторождения, диопсид Айданского месторождения, волластонит, а также отходы производств (молотый фарфор и порошок обожженной глины). Наполнители вводили в количестве 10 - 30 % (по массе).

При выборе природных силикатов в качестве наполнителя исходили из следующих предпосылок [3]:

1. 
   введение изначально водостойких силикатов улучшает свойства затвердевшего материала, возможно проникновение и распределение неводостойких добавок (как исходных, так и продуктов гидролиза) в пустотах кристаллической структуры и микроструктуры высокодисперсного силикатного материала;
   
2. 
   не исключается возможность химического взаимодействия продуктов твердения, находящихся в метастабильном состоянии, с дефектной поверхностью силикатного материала.
   

Исследование жидкофазной системы показало, что химическое взаимодействие в системе описывается реакциями кислотно-основного типа: образование ионных форм кремнезема:

=SiOH + ОН^- → =SiO^- +Н₂О, (1)

реакция полимеризации, которая приводит к обра­зованию полисиликатов:

=SiOH + =SiO^- ↔ =Si - О – Si= + ОН^-, (2)

Реакции (1) и (2) взаимосвязаны. Полимеры, образующиеся по реакции (2), имеют не линейное, а преимущественно сферическое строение. В ходе полимеризации формируются коллоидные частицы, заряженные отрицательно [3].

При добавлении наполнителей в жидкостекольную систему ее вязкость резко возрастает. Поскольку в состав наполнителей входят ионы Са²⁺, Mg²⁺, которые взаимодействуют с ионными формами жидкого стекла по реакции:

=SiO^- + Са²⁺ (Mg²⁺) ↔ Si – О - Са⁺ (Mg⁺) (3),

а также происходит полная или частичная перезарядка частиц, наблюдается укрупнение коллоидных частиц с их дальнейшей коагуляцией.

Установлено, что формирование силиката натрия протекает в три стадии. На первой стадии испаряется адсорбционная вода, входящая во внешнюю координационную сферу; на второй стадии интенсивно удаляется кристаллизационная вода, входящая во внутреннюю координационную сферу. При более высокой температуре выделяется гидратная вода и происходит полное обезвоживание силиката натрия.

На термограммах жидкостекольной системы с разбавлением водой (рисунок 1) присутствуют по два эндоэффекта. Это связано с тем, что при разбавлении жидкого стекла адсорбционная вода, входящая во внутреннюю и внешнюю координационную сферы, удаляется не разделяясь.

Для интерпретации структур полученных образцов сняты ИК-спектры. Данные ИК-спектроскопического анализа подтвердили существование в. структурах групп [SiО₄]⁴. При этом установлено, что сцепление происходит за счет образования пироксеновых цепочек, характерных для волластонита и диопсида, и лент амфиболов – для тремолита.

0 20 40 60 80