Растворимое и жидкое стекло - Корнеев В.И.
Скачать (прямая ссылка):
40 I
'_I_,
5 10 15 20 Время, мин
Рис. 22. Изменение силикатного модуля раствора во времени прн кипячении порошка стекла Na20-3,2SiC>2 в трехкратном (по массе) количестве воды
Размер частиц порошка: / — 0,074 мм, 2 — 0,150 мм, 3 — 0,400 мм [13]
Реакционный слой
Рис. 23. Профили концентрации ионов в реакционном слое при растворении стекла силиката натрня в воде
Когда воды взято очень много по отношению к количеству растворимого стекла, то концентрация щелочи в растворе остается низкой, слой частично или полностью гидратированного кремнезема растет, быстро нарастает диффузионное сопротивление в этом слое и скорость растворения резко падает. Слой гидратированного кремнезема не имеет резкой границы со стеклом, поскольку продолжается миграция ионов натрия из фазы стекла в этот слой, а также противоположно направленное движение молекул воды в фазу стекла. Вследствие движения заряженных частиц на границе возникает разность потенциалов, которая тормозит процесс и в обычных стеклах запирает его полностью. Если количество воды, в которой растворяется силикат-глыба, мало, быстро нарастающая концентрация щелочи в жидкой фазе ускоряет процесс распада силикатного каркаса. Если растворение стекла щелочного силиката производить сразу в растворе щелочи, то при некоторых концентрациях щелочи можно достичь почти конгруэнтного растворения, т. е. натрий и кремнезем будут переходить в раствор в соотношениях, очень близких к тому, какое имеет место в стекле, но механизм процесса останется неизменным, и конгруэнтное растворение установится при той или иной толщине реакционной зоны или гидратированного кремнеземного слоя. Если при одном и том же соотношении количества стекла и растворителя изменять величину поверхности раздела фаз в сторону возрастания, т. е. размельчать растворяющийся порошок, то быстро установится концентрация щелочи, при которой процесс станет конгруэнтным и толщина слоя гидратированного кремнезема перестанет расти, а толщина слоя окажется мала. Это приведет
41
к тому, что скорость процесса растворения при стационарной толщине слоя останется высокой, как это видно на рис. 22. Слой частично гидратированного кремнезема со стороны, обращенной к раствору, может быть достаточно рыхлым и близким практи-чески к полной гидратации, поэтому его нельзя рассматривать как однородный. Именно из этих слоев гидратированного кремнезема образуется тот студнеобразный остаток, который можно наблюдать иногда по окончании операции растворения. На рис. 23 схематически изображен процесс растворения и показано изменение концентраций в слое. Возникающий при этом мембранный скачок потенциала препятствует деполимеризации кремнезема гидроксильными ионами. Лимитирующей стадией процесса, видимо, остается деполимеризация кремнеземного каркаса, по крайней мере при температурах ниже 100 °С.
Подведя итог сказанному о растворении высокомодульного стекла щелочного силиката при заданной температуре, следует отметить, что технологически важной является та толщина слоя стекла, которая должна раствориться, чтобы установился стационарный режим растворения. Эта толщина слоя будет зависеть как от количества воды, так и от степени измельченности порошка. По этой причине процесс растворения выгодно начинать при малом количестве воды, когда толщина стационарного слоя, образовавшегося на поверхности, мала. Затем, по мере перехода силиката натрия в раствор, добавлять воду, поддерживая постоянную оптимальную с точки зрения скорости процесса концентрацию силиката или щелочи в жидкой фазе.
По этой же причине оказывается принципиально важен порядок проведения технологических операций. Лучше сначала нагреть компоненты системы, а потом их смешивать, чем наоборот. Повышение температуры до величин, характерных для автоклавного производства, ускоряет процесс за счет увеличения растворимости кремнезема, что обусловлено возможностью деполимеризации кремнезема молекулами воды, а не только гидроксильными ионами.
При увеличении модуля растворяющегося стекла возрастает число силоксановых связей в единице объема стекла и, следовательно, кремнеземный каркас делается более жестким и прочным. Это не только увеличивает во сколько-то раз число связей, которые нужно разорвать, чтобы анион или молекула кремнезема перешли в раствор, но и существенно затрудняет первые стадии процесса: переход ионов щелочного металла в раствор и движение молекул воды в фазу стекла. С другой стороны, поскольку в высокомодульных стеклах концентрация ионов щелочного металла ниже, то и концентрация гидроксильных ионов в образующемся растворе оказывается ниже, и толщина стационарного реакционного слоя, необходимого для конгруэнтного растворения, быстро возрастает. Это приводит к сильному замедлению скорости процесса, но, с другой стороны, растет количество гелеобразного кремнеземис-
42 л
Таблица 8. Скорость растворения аморфных порошков силикатов калия и натрия (3 ч. воды+1 ч. порошка) [111
Вид силиката Размер частиц, мкм Время растворения части порошка /, "С
50% 75% 100%
