Вяжущие силикатные материалы

Из силикатных вяжущих материалов можно назвать в первую очередь портландцемент (строительный цемент). Однако его ос­нова — обожженный известняк — предопределяет среды, в кото­рых он может использоваться: вода, водные растворы нейтраль­ных веществ, основания.

Как уже отмечалось выше, силикатные материалы используют­ся в подавляющем большинстве случаев для изготовлегам кисло­тостойких изделий. Поэтому для выполнения футеровочных работ кислотостойкими штучными изделиями из силикатов используют специальный кислотоупорный цемент.

Кислотоупорный цемент — это двухкомпонентная система, состоящая из порошка и растворителя. Оба компонента должны в своем составе содержать SiO₂. В качестве порошка берут тонко­измельченные богатые кремнеземом естественные породы (анде­зит, гранит, диабаз, кварцевый песок) или искусственные материалы (плавленый базальт, плавленый диабаз, фарфор и др.). В состав порошка вводят в определенных пропорциях порошок кремнефтористого натрия (Nа₂SiF_б), который выполняет роль ускорителя твердения цементного раствора. В качестве растворителя (второй компонент) берется водный силикат натрия Nа₂SiO₂ (жидкое натриевое стекло).

Кремнефтористый натрий не только ускоряет процесс твердения цемента, но и повышает его водостойкость вследствие нейтра­лизации свободной щелочи, которая может растворять кремнезем.

Отвержденные кислотоупорные цементы обладают очень высо­кой устойчивостью к действию кислот, особенно концентриро­ванных минеральных, даже при высоких температурах. Конечно, исключение составляют плавиковая кислота, которая разрушает цемент при обычной температуре, и фосфорная кислота —при высокой температуре.

Причина сравнительно низкой стойкости этих цементов в сла­бых минеральных и органических кислотах заключается в характе­ре протекания реакции взаимодействия этих кислот с силикатом натрия. Жидкое стекло под воздействием крепкой кислоты энер­гично разлагается, и цемент быстро уплотняется в результате обез­воживания Si(ОН)₄. Под воздействием слабой кислоты выделение геля кремниевой кислоты из жидкого стекла происходит медленно, цемент оказывается проницаемым для кислоты, и гель ею вы­мывается.

Механическая прочность кислотоупорных цементов со време­нем повышается, что связано с длительностью процесса обезво­живания Si(ОН)₄. Если заменить натриевое жидкое стекло калие­вым, улучшаются свойства цементов в условиях воздействия сер­ной кислоты и ее солей.

Силикатные кислотоупорные цементы нашли применение и в качестве самостоятельных конструкционных материалов — кис­лотоупорных бетонов. Отличие цементов от бетонов заключается только в размерах частиц силикатного наполнителя. Размеры час­тиц в бетоне колеблются от 0,15 до 30—40 мм.

Графит представляет собой одну из кристаллических разновидностей углерода. Это материал кристаллическо­го слоистого строения с гексагональной решеткой. Его ато­мы располагаются в параллельных слоях по углам пра­вильных шестигранников на расстоянии 0,142 нм друг от друга. Расстояние между слоями значительно больше, чем между атомами, расположенными в одной плоскости и составляет 0,335 нм. Это существенно ослабляет связь между атомными слоями, благодаря чему кристаллы гра­фита легко расслаиваются. По этой же причине для графи­та характерна анизотропия свойств. Графит обладает ха­рактерными металлическими свойствами — блеском, вы­сокими электропроводимостью. Графит при атмосферном давлении не плавится, а сразу испаряется при температуре около 3850 °С. Он характе­ризуется химической стойкостью, малым расширением при нагреве, достаточной прочностью, высокой жаропрочно­стью. При этом с повышением температуры до 2200-2400 °С прочность графита повышается от 35 до 50 МПа.

Естественный графит является дорогим и обладает низкой прочностью. Поэтому в технике применяют син­тетический графит, который производят из кокса путем обжига при температуре 2500-3000 °С. В процессе обжи­га происходит графитизация кокса, состоящая в росте и упорядочении кристаллов.

Графит нашел широкое применение в качестве огне­упорного материала в металлургии и замедлителя нейтронов в атомных реакторах. В последнем случае применяется графит высокой чистоты. Графит используется как конструкционный материал для работы при высоких тем­пературах, где требуется высокая прочность и стойкость против эрозии. Графит обладает очень хорошими анти­фрикционными свойствами, поэтому он входит в состав ан­тифрикционных материалов, которые способны работать без смазки в условиях высоких и низких температур, боль­ших скоростей скольжения, агрессивных сред.

Недостатками графита являются хрупкость и низкая жаростойкость. Он начинает окисляться на воздухе уже при 450-500 °С. Поэтому для повышения жаростойкости графита прибегают к покрытию готовых изделий туго­плавкими металлами, твердыми сплавами, керамикой (А1₂О₃), силицированию и боросилицированию.

Теплопроводность графита выше теплопроводности многих металлов и сплавов, в частности свинца и хромоникелевых ста­лей — в 3—5 раз. По этой причине он нашел широкое применение как конструкционный материал для изготовления из него различ­ной теплообменной аппаратуры (блочных и кожухоблочных теп­лообменников, теплообменных элементов погружного типа и др.), предназначенной для эксплуатации в условиях воздействия таких агрессивных сред, как серная кислота определенных концентра­ций, соляная и фтористоводородная кислоты и т.п., для которых непригодны известные и экономически доступные металлы и сплавы. Графит применяют и в качестве штучных футеровочных материалов для защиты оборудования в особо агрессивных усло­виях эксплуатации (например, экстракторов в производстве фос­форной кислоты).

Серьезным недостатком графита является пористость, делаю­щая его проницаемым не только для газов, но и для жидких сред. Этот недостаток устраняется либо путем пропитки готовых изде­лий веществами, закрывающими поры без существенного измене­ния свойств самого графита, либо созданием композиций из гра­фита и синтетических смол, изделия из которых получают метода­ми прессования или литья.

Асбест представляет собой минерал с характерным волокнистым строением. Длина волокон асбеста колеб­лется в широких пределах — от долей миллиметра до 20 мм. Существует много видов асбеста, но наибольшее про­мышленное значение имеет хризотиловый асбест, состав­ляющий 95 % мировой добычи асбеста. В состав асбеста входят оксиды магния, железа, кремниевая кислота, вода и в незначительных количествах некоторые примеси.

Асбест характеризуется высокой теплостойкостью и огнестойкостью, малой тепло- и электропроводностью, химической стойкостью. Он выдерживает температуру до 500 °С. Из асбеста изготовляют специальные пряжу, тка­ни, бумагу, картон. Он используется в качестве наполнителя для изготовления теплостойких пластмасс. Асбоце­ментные материалы используются в качестве тешюзащитных покрытий. Листовой материал, изготовленный из асбестового волокна, синтетического каучука, наполните­лей и вулканизирующих добавок, называется паронитом. Он является теплостойким уплотняющим материалом. Паронит применяется для уплотнения соединений водяных и паровых магистралей, трубопроводов и т.п.