4. Розчинне скло

Розчинним склом називають спеціально отриманий продукт, який складається з силікатів лужних металів. Склад розчинного скла виражається формулою R₂О*nSiО₂, де R – натрій або калій, а n – число молекул SiО₂, що припадають на одну молекулу лужних оксидів.

За фізичним станом розчинне скло ділиться на:

- силікат-глибу – складається з твердих кусків різної форми і величини;

- водний розчин силікат-глиби – рідке скло.

За складом сировини розчинне скло класифікується на:

- содове (Na₂CО₃);

- сульфатне (Na₂SО₄);

- содово-сульфатне.

Також за своїм складом рідке скло може бути натрієве або калієве. Інколи готують змішані чи подвійні скла, що містять одночасно Na₂О і К₂О. В будівництві частіше використовується натрієве розчинне скло.

Для характеристики рідкого скла введено поняття модуля:

n = SiО₂ / Na₂О.

Промисловістю випускається рідке скло з модулем в межах 2,5-3,0.

Як кремнеземисті сировинні матеріали використовують кварцові піски, кварц, природний чи штучний аморфний кремнезем. Як лужний матеріал використовують соду, поташ, сульфат натрію, їдкий натрій і їдкий калій.

Усі способи виробництва розчинного скла діляться на сухі і мокрі. Сухий спосіб передбачає дозування сировинних матеріалів, їх перемішування, розтоплення шихти при високій температурі, охолодження отриманого розтопу і розчинення у воді. Сировинну шихту топлять в тих же печах, що і звичайне скло. В залежності від складу шихти температура варіння коливається в межах 1100-1400 ^оС. В залежності від сировини при нагріванні відбуваються наступні процеси:

- при карбонатному способі Na₂CО₃ + nSiО₂ = Na₂О*nSiО₂ + СО₂

- при сульфатному способі 2Na₂SО₄ + nSiО₂ + С = 2Na₂О*nSiО₂ + 2SО₂ + СО₂

При сульфатному способі в шихту вводять вугілля для того, щоби відновити сульфат натрію до сульфіту, який повніше реагує з кремнеземом. Варіння силікат-глиби за сульфатним способом є складнішим, ніж за карбонатним.

Якщо розтоп охолоджується на повітрі він перетворюється в твердий моноліт – силікат-глибу. При охолодженні в проточній воді отримують дрібнозернистий продукт – гранулят. Забарвлення силікат-глиби залежить від кількості і співвідношення домішок оксидів дво- і тривалентного заліза. Кількість домішок в силікат-глибі не повинна перевищувати 2 %, оскільки із збільшенням їх вмісту зменшується розчинність скла.

Силікат-глиба на повітрі швидко карбонізується. Проте цей процес відбувається на поверхні і не проникає глибоко всередину гранули, тому утворену карбонатну плівку можна легко видалити струменем води.

Існують різні способи розчинення силікат-глиби. Найбільш розповсюджений з них – автоклавний. За цим способом розчинення здійснюється в стаціонарних або в обертових барабанних автоклавах під тиском 4-8 атм. Розчинення можна також здійснювати при нормальному атмосферному тиску, але обов’язково у вигляді тонкомеленого порошку при температурі 90-100 ^оС. В однакових умовах високомодульні скла розчиняються важче, ніж скла з малим модулем.

З мокрих способів виробництва розчинного скла найчастіше використовують лужний. Він ґрунтується на розчиненні аморфних видів кремнезему (опока, діатоміт, трепел та ін.) в розчинах їдких лугів під тиском в обертових чи стаціонарних автоклавах-реакторах:

2NaОН + nSiО₂ = Na₂О*nSiО₂ + Н₂О

За цим способом рідке скло отримують безпосередньо, оминаючи процес варіння силікат-глиби. Проте отримане скло забруднене кремнеземистим компонентом.

Рідке скло є густим, в’язким розчином. В залежності від насичення розчину силікатом натрію (чи калію) густина рідкого скла знаходиться в межах 1,36-1,50 г/см³. При розчиненні водою силікат-глиби більша частина домішок залишається в нерозчиненому вигляді, або коагулює у вигляді осаду.

В закритих посудинах рідке скло може зберігатись дуже довго. На повітрі воно розкладається тим швидше, чим вищий його модуль. При нагріванні також відбувається його розклад з виділенням аморфного кремнезему. Всі кислоти розкладають рідке скло з утворенням колоїдних желеподібних осадів кремнекислоти. Розчинні у воді солі також викликають розклад рідкого скла.

На практиці використовують суміш наповнювача (наприклад, кварцового піску) з рідким склом, в яку додають прискорювачі тверднення. Як прискорювач тверднення в склад суміші вводять кремнефтористий натрій, який є відпадком при виробництві суперфосфату. Рідке скло здатне тверднути і без прискорювача, проте це відбувається надзвичайно повільно через утворення на поверхні непроникної плівки. Процеси тверднення композицій з рідким склом ще недостатньо вивчені. Дослідники вважають, що на повітрі силікат натрію взаємодіє з вуглекислотою:

Na₂SiО₃ + 2Н₂О + СО₂ = Na₂СО₃ + Si(ОН)₄

При введенні кремнефтористого натрію відбувається хемічна взаємодія внаслідок якої виділяється кремнева кислота:

2Na₂SiО₃ + 6Н₂О + Na₂SiF₆ = 6NaF + 3Si(ОН)₄

При цьому гелеподібний кремнезем відкладається на поверхні частинок наповнювача. З часом чи внаслідок виділення вологи він ущільнюється, цементуючи зерна наповнювача і збільшуючи щільність матеріалу.

Розчинне скло широко використовують в хемічній, машинобудівній, миловарній, жировій, паперовій промисловості. В будівництві воно використовується для укріплення ґрунтів, силікатизації доріг, виготовлення кислототривких цементів і бетонів, антикорозійних і вогнезахисних обмазок, силікатних фарб тощо.

В промисловості будівельних матеріалів розчинне скло використовують для виготовлення кислотостійких цементів і бетонів (як зв’язну речовину), випалюваних і невипалюваних виробів, личкувальних і кислототривких плиток, теплоізоляційних матеріалів і виробів, брикетування скляної шихти, як пептизатор глиняних суспензій, для приготування фарб і полив, отримання силікатних фільтрів тощо.

Кварцовий кремнефтористий кислотостійкий цемент – порошкоподібний матеріал, який отримують сумісним розмелюванням (чи ретельним перемішуванням окремо розмелених) кварцового піску і кремнефтористого натрію. Його замішують водним розчином силікату натрію (розчинного скла), після чого вже на повітрі він перетворюється в міцне каменеподібне тіло, яке здатне протистояти дії більшості мінеральних та органічних кислот. Вміст Na₂SiF₆ в суміші складає 4-8 %. Рідке скло додають у кількості 20-30 % від маси.

В залежності від призначення випускають два типи кислотстійких цементів:

I – цемент для кислотостійких замазок;

II – цемент для кислотостійких розчинів і бетонів.

Початок тужавіння тіста нормальної густоти з кислотостійкого цементу I не раніше 40 хв, а з цементу II не раніше 20 хв, кінець тужавіння для обидвох типів цементів – не пізніше 8 год від початку замішування.

Кислотостійкість цементного порошку, яку визначають за втратою маси при кип’ятінні його в технічній сірчаній кислоті, не повинна перевищувати 7 % від маси проби. За міцністю зразків після 28 добового тверднення на повітрі розрізняють марки цементу 300 і 400.

Кислотостійкі цементи використовують для захисту корпусів хемічної апаратури, обладнання чи будівельних конструкцій. Кислотостійкі цементи не можна використовувати при температурах нижче –20 ^оС, в умовах дії на них лугів, фосфорної, плавикової і кремнефтористоводневої кислот, кип’ячої води і водяної пари.