Химия в строительстве. Конспект лекций

Интенсивность окраски также зависит от размера частиц пигмента. Для органических пигментов чем меньше размер частицы одного и того же класса пигментов, тем выше интенсивность (эта зависимость различна для разных пигментов).

От частиц зависит и блеск покрытия. Блеск достигается при размерах частиц пигмента, не превышающих 0,3 мкм.

Большие размеры частиц уменьшают блеск вплоть до получения матовой пленки.

Поверхностная обработка пигментов

Модификация поверхности пигментов проводится с целью улучшения таких свойств, как их смачиваемость и диспергируемость в выбранных смолах, растворителях или разбавителях, стабильность, стойкость к флокуляции. Например, обработка аминами для модификации азопигментов вроде акриламида желтого улучшает его диспергируемость, например, в алкидных эмалях.

Растворители

Растворители — это органические летучие жидкости, применяемые для перевода пленкообразователей в состояние, пригодное к нанесению на поверхность, и для регулирования вязкости лакокрасочного материала.

Разбавители в сочетании с растворителями способны реагировать вязкостные свойства систем.

Вода в водных системах может быть истинным растворителем для некоторых пигментов, однако она редко является растворителем для основного компонента — пленкообразователя.

Флокуляция — вид коагуляции, при которой частицы дисперсной образуют рыхлые хлопьевидные агрегаты (флокулы).

В качестве растворителей используют очень широкий ряд органических жидкостей, причем тип растворителя зависит о природы пленкообразователя. Растворяющая способность неединственный критерий, по которому выбирают растворитель. Следует учитывать и скорость испарения, запах, токсичность горючесть, стоимость.

При изготовлении и использовании водорастворимых пленкообразователей можно полностью или частично исключить применение органических растворителей.

Водорастворимые пленкообразователи бывают природные и синтетические.

31

Кприродным относятся казеин, животный клей, крахмал, декстрин, камеди.

Ксинтетическим водорастворимым пленкообразователям причисляют корбоксилированные полиэфиры, мочевино- и меламиноформальдегидные смолы, водорастворимые алкидные смолы и др. Растворимость водорастворимых пленкообразователей обусловлена достаточным содержанием полярных групп -OH,-NH2, -СООН, -COONa.

Для отверждения водорастворимых пленкообразователей требуется, как правило, высокотемпературный режим, при котором происходит химическое взаимодействие с участием функциональных групп.

Широкого применения водоразбавляемые лакокрасочные материалы не нашли, так как использование воды увеличивает время сушки и требует дорогостоящего оборудования.

Кроме того, выделяющиеся при сушке пары воды могут вызвать образование кратеров на поверхности покрытия. Из-за высокой температуры испарения воды при горячей сушке требуются большие затраты тепловой энергии.

В ходе эмульсионной полимеризации или сополимеризации образуются латексы. К синтетическим латексам относят сополимеры стирола

сбутадиеном, сополимеры производных акриловой и метакриловой кислот (преимущественно из сложныхэфиров), полимеры и сополимеры винилхлорида и винилиденхлорида.

В состав водно-дисперсионных лакокрасочных материалов помимо пленкообразователей и пигментов входят различные добавки специального назначения: эмульгаторы, стабилизаторы, загустители, диспергаторы, антисептики, ингибиторы и др.

Эмульгаторы и стабилизаторы обеспечивают агрегативную устойчивость водных дисперсий полимеров. Эти компоненты по своей природе являются ПАВ. Причем эмульгаторы, как правило, применяются в процессе получения водной дисперсии, а стабилизаторы вводятсяв готовую дисперсию для усиления действия эмульгаторов. Для стабилизации готовых материалов используют коллоиды (поливиниловый спирт, карбоксиметилцеллюлоза).

Диспергаторами также являются ПАВ: в готовой краске они стабилизируют пигментные частицы. Пример диспергатора — натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы.

Загустители повышают вязкость составов, и получаются покрытия необходимой толщины. Обычно в качестве загустителей применяют водорастворимые высокомолекулярные соединения.

32

Иногда использование растворителей в составе красящих весьма специфично. Так, в полимеризующихся системах мономер стирол выполняет роль растворителя в краске, а затем в процессе отверждения превращается в полимер.

В случае порошковых красок растворители могут использоваться на ранних стадиях в процессе производства красок, однако затем они удаляются.

Порошковые краски

Порошковые краски — это порошковые композиции из твердого пленкообразователя, пластификатора, пигмента, отвердителя и другихдобавок.

Применяются порошковые краски для получения защитных, декоративных и других покрытий по металлу, бетону стеклу, керамике и др.

Преимущество порошковых красок — это отсутствие загрязнения окружающей среды при их нанесении. Но для их производства и использования необходимо специальное оборудование: процесс окрашивания взрыво- и пожароопасен. В быту порошковые краски использовать нельзя.

Для получения порошковых красок используют термореактивные и термопластичные пленкообразователи. Термопластачные порошковые композиции перед нанесением диспергируются в воде, а водные порошковые суспензии наносят методом электроосаждения.

Наполнители и целевые добавки

Наполнители оказывают существенное влияние на свойства покрытий. Известны наполнители, повышающие адгезию кподложке, водостойкость и твердость покрытий, наполнители, понижающие проницаемость и изменяющие реологические свойства грунтовок.

Наполнители представляют собой белые или слабоокрашенные неорганические соединения. От белых пигментов наполнители отличаются сравнительно низким показателем преломления. Поэтому наполнители в неводных лакокрасочных материалах не обладают укрывистостью, а в водоэмульсионных красках могут использоваться как пигменты. Наполнители значительно дешевле большинства пигментов, из-за чего их часто добавляют для удешевления краски. К некоторым пигментам, например, к диоксиду титана можно добавлять до 80 % массы наполнителя (например, карбоната кальция).

33

Вкачестве наполнителей используются также барит, гипс, ангидрит, мел, кремнезем, диатомит, глина, тальк, слюда.

Вкачестве целевых добавок используют сиккативы, отвердители, ускорители. Сиккативы способствуют образованию пленки и регулируют скорость этого процесса.

Отвердители добавляют к некоторым полимерным материалам для получения неплавкого, нерастворимого продукта. Ускорители — химические соединения, вводимые для повышения скорости отверждения.

При изготовлении и использовании лакокрасочных материалов в различных отраслях промышленного производства вмире ежегодно применяется до 10 млн т летучих органических соединений. Нитроцеллюлозные, карбамидо- и меламиноалкидные, полиуретановые материалы содержат до 80 % растворителей.

При выполнении отделочных работ пары растворителей, попадая в атмосферу, оказывают негативное воздействие на окружающую среду и здоровье человека. Поэтому в настоящее время наметились следующие

тенденции:

производство и применение материалов с высоким сухим остатком (более 60 %);

производство материалов, практически не содержащих растворителей (с содержанием их менее 5 %);

производство композиций на водной основе.

34

ЛЕКЦИЯ 6. МЕТАЛЛЫ

Свободные металлы — простые вещества (Ме0). Основными фи-

зическими свойствами металлов, отличающими их от неметаллов,

являются:

твердое агрегатное состояние: все металлы при обычной температуре — твердые вещества (за исключением ртути), но по степени твердости они сильно отличаются друг от друга. Щелочные металлы легко режутся ножом, тогда как самый твердый — хром — по твердости близок к алмазу;

металлический блеск (светоотражательная способность): наиболее ярко блестят серебро и палладий;

высокие электропроводность и теплопроводность: обусловлены присутствием в объеме кристаллической решетки металла обобществленных электронов, делокализованных между атомами. Лучшими проводниками электричества являются серебро, медь, золото и алюминий.

Общность физических и химических свойств металлов объясняется сходной электронной структурой их атомов, подобными видами кристаллических решеток и однотипностью химической связи в них (металлическая связь).

Атомы металлов содержат на внешнем энергетическом уровне небольшое количество электронов — чаще всего от одного до трех. Поэтому металлы проявляют свойства типичных восстановителей, то есть отдают свои валентные электроны:

Сравнительная активность металлов, то есть способность их атомов отдавать электроны, уменьшается слева направо в ряду активности:

Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Аl, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Со, Ni, Sn, Pb, H, Sb, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.

Этот ряд сравнительной активности металлов называют также рядом напряжений. В этом ряду слева направо уменьшается восстано-

35

вительная активность металлов и возрастает окислительная активность их ионов. Самые активные металлы открывают ряд напряжения, самые пассивные — замыкают его.

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

Самые малоактивные благородные металлы: золото, платина, серебро, — издавна находили в природе в чистом («самородном») виде.

Подавляющее большинство металлов в природе присутствует в окисленном состоянии (Ме+n), поэтому их получение в чистом виде основано на восстановлении из природных соединений — руд:

Химическое восстановление заключается во взаимодействии соединений металлов с различными веществами, проявляющими восстановительные свойства. Наиболее распространенными из них являются углерод, водород, активные металлы и др.

Основными методами получения металлов являются:

1. Пирометаллургические методы.

Металлургические процессы при высоких температурах называются пирометаллургическими. В качестве восстановителей чаще всего используют углерод (в виде угля, кокса), оксид углерода (II) CO, водород, активные металлы (магний, алюминий). Так получают чугун, сталь, основную часть меди, свинца, никеля, титана и других важнейших металлов.

2. Карботермический метод.

Восстановитель — углерод, оксид углерода (II) — используют для получения таких металлов, как: железо, цинк, свинец, медь и др., например:

Сульфидные руды, содержащие металлы в составе сульфидов, сначала обжигают в печах на воздухе для превращения сульфидов в оксиды:

36

а затем восстанавливают полученные оксиды углем.

Особое значение пирометаллургия имеет для получения чугуна и сталей.

Восстановление оксидов железа проводят в доменной печи, в которую загружают железную руду в виде оксида железа и кокс (обогащенный углеродом уголь). Кокс является топливом и источником получения восстановителя СО:

Может иметь место и прямое восстановление окидов железа углеродом, например:

и т.д.

Восстановленное железо частично взаимодействует с СО, образуя карбид железа — цементит (Fе3С):

Расплавленное железо растворяет в себе углерод, цементит и примеси (кремний, марганец, серу, фосфор), в результате чего образуется чугун.

37

Получаемый чугун содержит обычно около 93 % железа, 2,5…5 % углерода, 0,5…4 % кремния, 1…3 % марганца, 0,02…2,5 % фосфора и

0,005…0,08 % серы.

Переработка чугуна в сталь заключается в удалении серы, фосфора, кремния и в снижении содержания углерода.

3. Гидротермический метод.

Восстановитель — газообразный водород. Его используют для получения некоторых металлов, не образующих устойчивых соединений с водородом (гидридов), например, вольфрама, железа, молибдена, кобальта и др.:

4. Металлотермический метод.

В качестве восстановителей при высоких температурах применяют активные металлы: магний, кальций, алюминий. Таким способом получают марганец, хром, титан:

5. Гидрометаллургический метод.

В гидрометаллургии восстановление металлов из руд осуществляется без применения высоких температур. При гидрометаллургических методах ионы металла, входящие в состав руды, сначала переводят в раствор, а затем с помощью более активного металла восстанавливают ионы металла из этого раствора.

Например, при обработке руды, содержащей оксид меди CuO, разбавленной серной кислотой, сначала образуется сульфат меди (II):

Ионы меди Cu+2 восстанавливают из раствора более активным металлом, например, железом:

38

Аналогичным образом, почти все серебро извлекают из водных растворов AgNO3, восстанавливая его цинком:

Гидрометаллургический метод применяют для получения серебра, золота, платиновых, радиоактивных (уран, торий), редких металлов и др.

6. Электрометаллургические методы.

Металлы получают электролизом из растворов или расплавов соединений металлов. Этот метод используют для получения самых активных металлов: натрия, калия, магния, кальция, алюминия. При этом металлы восстанавливаются на катоде.

Например, натрий получают электролизом расплава хлорида натрия:

Алюминий в промышленности получают электролизом раствора оксида алюминия Al2O3 в расплавленном криолите Na3AlF6 с добавкой

CaF2 при 950…980 :

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Химические свойства всех металлов как простых веществ обуслов-

лены их характерной способностью окисляться:

Еще раз обратимся к ряду напряжений металлов:

Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Аl, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Со, Ni, Sn, Pb, H, Sb, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.

39

В этом ряду также находится неметалл — водород, являющийся восстановителем.

Закономерности ряда напряжений металлов

1.Восстановительная активность металлов уменьшается, а окислительная активность ионов металлов увеличивается в ряду слева направо.

2.Металлы, стоящие в ряду напряжений левее водорода, могут вытеснять его из растворов кислот (кроме азотной и концентрированной серной кислот), например:

Металлы, стоящие в ряду напряжения правее водорода, не реагируют с кислотами, например:

Каждый более активный металл вытесняет менее активные металлы из водных растворов их солей, например:

Взаимодействие металлов с неметаллами

Металл окисляется, неметалл восстанавливается. Образуется такоесоединение металла с неметаллом, в котором металл имеет положительную, а неметалл — отрицательную степень окисления, например: