Химические процессы при упрочнении форм из смесей с жидким стеклом

Твердение системы жидкое стекло — диоксид углерода

Отверждение жидкого стекла углекислым газом происходит в результате химических и физических процессов. Физическое воздействие СО₂ способствует образованию стекловидной связи, возникающей при дегидратации жидкого стекла. СО₂ является очень сухим газом с точкой росы примерно —30° С. Поскольку углекислый газ содержит малое количество влаги, считают, что под его действием происходят частичная быстрая сушка жидкого стекла, т. е. его дегидратация.

Преобладающим и основным в процессе отверждения является химическое действие СО₂ на жидкое стекло. Химическое воздействие начинается с процесса хемосорбции газообразного СО₂ в воде, содержащейся в смеси, с образованием угольной кислоты:

СО₂ + Н₂О → Н₂СО₃. (1)

Эта кислота реагирует с коллоидным раствором жидкого стекла по уравнению

Na₂Si₂0₆ + Н₂С0₃ + Н₂О → 2Na⁺ + Si₂O₅^- + HCO₃^- + 2Н⁺ + ОН^- + Q. (2)

Возникшая кислота H₂Si₂O₆ диссоциирует в воде, образуя коллоидный раствор:

H₂Si₂O₆ → SiO₂ + 2H⁺ + SiO₃^-. (3)

Коллоидные частицы SiO₂ абсорбируют на своей поверхности ионыSiO₃^2- и Н⁺. При этом вокруг частиц SiO₂ образуется двойной электрический слой с определенным электрокинетическим потенциалом. Кислота Н₂СО₃, образовавшаяся по уравнению (1), снижает величину рН коллоидного раствора, в результате чего уменьшается диффузионный слой и снижается электрокинетический потенциал мицеллы H₂Si₂O₅.

Таким образом, под действием ионов Н⁺ жидкое стекло коагулирует, образуя гель кремниевой кислоты xSiO₂ • yH₂O. Этот гель и связывает зерна наполнителя отверждаемой смеси.

При отверждении жидкого стекла СО₂ по реакции (2) образуются и другие продукты. Это гидрокарбонат натрия, который образуется по уравнению

NaOH + H₂O + CO₂ → NaHCO₃ + H₂O. (4)

На начальной стадии отверждения образуется карбонат натрия, который затем при избытке СО₂ и повышенном содержании воды частично разлагается на NaHCO₃ по уравнениям:

Na₂CO₃ + H₂O → NaOH + NaHCO₂; (5)

NaOH + CO₂ → NaHCO₃.

Конечным продуктом реакции является вода, которая содержится в смеси в трех формах: а) как свободная вода в порах силикагеля; б) как физико-химически связанная вода гидроксильных групп ОН^- на поверхности силикагеля; в) как кристаллически связанная в Na₂CO₃.

Твердение системы жидкое стекло — двухкальциевый силикат

О процессах, протекающих в этой системе, до настоящего времени еще нет единого мнения. Полагают, что твердение системы вызывается переходом двух-кальциевого силиката в кальциевый си­ликат, путем соединения с одной молекулой SiO₂ жидкого стекла. Реакция протекает следующим образом:

2СаО • SiO₂ + mSiO₂ • nH₂O = 2 (СаО • SiO₂) + (т— 1) SiO₂ • mH₂O. (6)

Согласно другому объяснению происходит диссоциация кальциевого силиката и жидкого стекла, причем на поверхности частиц феррохромового шлака образуются гидратированные кальциевые си­ликаты и гидроксид кальция, которые препятствуют гидратации внутренних слоев частиц шлака. Уравнение гидратации выглядит следующим образом:

2СаО • SiO₂ + 3Н₂О = СаО • SiO₂ • 2Н₂О + Са (ОН)₃. (7)

При избытке воды может пройти следующая реакция:

2СаО • SiO₂ + Са (ОН)₂ + Н₂О = СаО • SiO₂ + 2Ca (ОН)₂,. (8)

Твердение системы объясняют также в первую очередь дегидратацией жидкого стекла, когда часть SiO₂ из жидкого стекла выделяется в момент контакта со шлаком, что и обеспечивает твердение. Остаток жидкого стекла затем затвердевает в течение нескольких часов с одновременным повышением прочности смеси. Частицы шлака, состоящие из двухкальциевого силиката, реагируют при контакте с жидким стеклом лишь на поверхности.

Твердение системы жидкое стекло — ферросилиций

Водный раствор силиката натрия гидролизуется по схеме

Na₂O • nSiO, + H₂O = 2NaOH + nSiO₂. (9)

Если, в соответствии с работой Нишиямы, в раствор добавляется металлический кремний в форме порошка ферросилиция, то последний реагирует с гидроксидом натрия с образованием водорода, кремнезема и силикатов:

Si + 2NaOH + (2m — 1) Н₂О =Na₂O • mSiO₂ + 2mH₂ (10)

или

Na₂O • nSiO₂ + mSi + 2mH₂O = Na₂O • mSiO₂ + nSiO₂ + 2mH₂ + Q. (11)

При нормальной температуре реакция протекает медленно. Однако этот процесс является экзотермическим и выделяющегося тепла достаточно для значительного ускорения реакции. При этом, в от­личие от отверждения жидкого стекла диоксидом углерода, гелеобразование связано с дегидратацией, которая происходит вследствие разложения воды кремнием на водород и оксид кремния.