Химия кремнезема - Айлер Р.
Скачать (прямая ссылка):
Силикаты натрия, используемые как клеи, имеют отношения ЭЮ2 : На20 в интервале от 2:1 до 4:1. Силикаты с отношением 3,3 наиболее широко используются при производстве
Водорастворимые силикаты
165
бумаги или асбеста. При силикатных отношениях 2 и ниже адгезионное схватывание ослабевает и становится очень чувствительным к воде. При отношениях выше 4,0 (полисиликаты) адгезионная прочность еще понижается, хотя водостойкость улучшается. Поскольку при выбранном значении вязкости с понижением отношения БЮг : №20 возрастает содержание твердых веществ, то силикаты с отношением, равным 2, и с более высокой концентрацией используются в таких плотных материалах, которые идут, например, на изготовление жерновов. В подобных изделиях вода должна быть полностью удалена для получения высокой прочности.
Как будет показано ниже, силикатный раствор, обладающий адгезионными свойствами и имеющий отношение 5Ю2 : Ыа20 3,3, можно представить себе как раствор с отношением 2, содержащий ионы №+ и НБЮз", в котором остальной кремнезем находится в виде взвешенных коллоидных частиц очень небольшого размера диаметром 1—2 нм. При более высоких соотношениях доля кремнезема в ионном состоянии уменьшается.
Отмечается, что в том случае, когда силикатные растворы с повышенными отношениями БЮз : Ма20 наносят в виде однородных тонких пленок на стеклянную подложку и затем высушивают, выше некоторого отношения подобные пленки начинают растрескиваться или покрываться волосными трещинами. Предполагается, что условия формирования пленки н ее высушивания достаточно постоянны, а такие величины, как толщина пленки, скорость ее высушивания и температура, могут влиять на степень образования волосных трещин. Чем больше степень покрытия трещинами или степень микрорастрескивания, тем менее прочно склеивание силикатным клеем.
Вероятно, что растрескивание происходит в условиях, когда количества высушенного ИаИБЮз недостаточно, чтобы заполнить все пространств/Ь или поры между сферическими коллоидными частицами, когда они совместно упаковываются в процессе высушивания. Если образующийся из ионной формы твердый силикат не заполняет поры, то подобная гелю сетка из частиц будет давать усадку и в пленке начнут развиваться трещины. Таким образом, чем больше тенденция к образованию микротрещин, тем ниже будет прочность высушенной пленки.
Можно подсчитать относительные объемы, занимаемые ЫаНБЮз и коллоидным кремнеземом в высушенных силикатах с различным соотношением БЮг : №20. Предполагается, что раствор ЫаНБЮз высушивается до указанного состава в случае, когда его' плотность составляет около 2,0 г/см3. Частицы кремнезема диаметром —^11 А содержат 23 % Н20 и 77 % ЭЮг
168
Глава 2
и имеют плотность 1,72 г/см3 (гл. 1). Допускается, что когда такой силикат высушивается, то ионы натрия координируют с атомами кислорода и силанольными группами в системе и отсутствует вода, связанная с ионами натрия. В том случае, когда высушивается суспензия, имеющая небольшие по размеру сферические частицы, такие глобулярные частицы упаковываются произвольным образом с плотностью упаковки около 50 % по объему.
Для удовлетворения выше отмеченных требований, т. е. необходимости заполнения пор с целью создания условий, исключающих образование сетки волосных трещин, получаемый объем высушенного ЫаНБЮз должен быть равен объему коллоидных частиц. В таком случае для получения 100 см3 высушенного клея нужно израсходовать 85 г коллоидного кремнезема (19,5 г Н2оУи 64,5 г БЮа) и 100 г ЫзИБЮз (31 г Ка20, 60 г 5Ю2, 9 г Н20). Данный клей имеет соотношение по массе 4,0 : 1, или молярное соотношение 4,13. Этот состав согласуется с наблюдениями, показывающими, что силикатные растворы натрия или лития, имеющие соотношение выше 4 («полисиликаты» в коммерческой терминологии), в отличие от растворов с более низкими отношениями 5Ю2 : Ма20 не способны высыхать до прозрачных сплошных пленок, поскольку происходит образование микротрещин.
Следует отметить, что подобный состав, содержащий 50 объемн.% в виде твердого вещества, еще до удаления последней порции воды в процессе высушивания становится очень хрупким. Если такие наполнители вводят в пластмассы, например содержащие свыше 40 объемн.%, то обнаруживается, что полученная система представляет собой твердую, относительно хрупкую массу. Аналогичным образом при содержании менее 40 объемн.% коллоидного кремнезема в силикате при удалении остатков воды должно происходить формирование менее хрупкой пленки. В последнем случае расчетным путем найдено, что состав соответствует соотношению 5Ю2 : №20 3,5. Вполне возможно, что близкое совпадение этого значения с отношением 5Ю2 : Ыа20, обычно используемым в клеях, просто является случайным.
Кажется поэтому, что по крайней мере некоторые из черт поведения растворимых силикатов с соотношением более 2 находятся в согласии с теорией, утверждающей, что растворы содержат не только МаНБЮз, но и очень небольшие частицы коллоидного кремнезема, поверхность которых покрыта силанольными группами.
Водорастворимые силикаты
