CC BY
496
УДК 691.57
Е. Н. Филиппович, Л. Н. Нажарова, Г. Г. Мингазова
ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ МЕТАСИЛИКАТА НАТРИЯ
Ключевые слова: покрытия, жидкое стекло, метасиликат натрия, известняк, диатомит, оксид титана.
Разработаны составы силикатных покрытий на основе жидкого стекла и пятиводного метасиликата натрия, синтезированного в лабораторных условиях из диатомита Инзенского месторождения. Рассмотрены эксплуатационные свойства полученных покрытий. Показано, что пятиводный метасиликат натрия пригоден для использования его в качестве связующего в силикатных покрытиях ввиду увеличения их стойкости к перепаду температур и адгезии к металлической подложке.
Key words: coats, liquid glass, sodium metasilicate, limestone, diatomite, titanium oxide.
Silicate coats mixtures on liquid glass and sodium metasilicate pentahydrate, produced in laboratory environment from Inzensky field diatomite, were formulated. Performance attributes of obtained coats were considered. It were shown, that sodium metasilicate pentahydrate is good for it’s using as binder in silicate coats in view of improving of their temperature difference resistance and adhesion to metal base.
Стремительное развитие промышленности и интенсификация производственных процессов предъявляют высокие требования к надежности технологического оборудования и конструкций. При этом особое место в комплексе мероприятий по обеспечению бесперебойной работе отводится разработке надежных покрытий с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
В настоящее время наблюдается значительное расширение рынка лакокрасочных материалов, большую группу которых составляют покрытия на основе растворов силикатов натрия (жидкого стекла). В общем, под силикатными покрытиями следует понимать суспензию из наполнителей, отвердителей, пигментов и модификаторов в водных растворах силикатов натрия.
Лакокрасочные материалы с использованием в качестве связующего (пленкообразователя) традиционного жидкого стекла в течение долгого времени исчерпывали номенклатуры силикатных покрытий, освоенных в промышленных масштабах, поскольку уникальной способностью растворов жидкого стекла являются высокие адгезионные свойства к подложкам различной химической природы [1], в том числе металлической. Эффективность использования растворов силикатов натрия обусловлена также широкой распространенностью и дешевизной исходных материалов, их негорючестью, нетоксичностью, антисептичностью и воздухопроницаемостью. Силикатные связующие высвобождают из сферы применения синтетические высокомолекулярные соединения, производство которых связано с источниками сырья, имеющими ограниченные запасы.
Перспективным является применение лакокрасочных материалов на основе водорастворимых кристаллических силикатов щелочных металлов, в связи с чем, в данной работе была изучена возможность получения защитных покрытий с использованием в качестве связующего пятиводного метасиликата натрия, синтезированного в лабораторных условиях из диатомита Инзенского месторождения. Связующее вещество - главный компонент лакокрасочной смеси, который определяет твердость, прочность и долговечность образующейся пленки покрытия. Растворы кристаллических щелочных силикатов по своим вяжущим свойствам аналогичны жидким стеклам, поэтому нами были исследованы возможность замены жидкого стекла на метасиликат натрия и влияние его на некоторые эксплуатационные свойства силикатных покрытий.
На основании литературных данных [1,2] и предварительных результатов экспериментов по получению силикатных покрытий были разработаны смеси, составы
которых представлены в табл.1. Количество связующего от общей массы смеси составило: метасиликат натрия - 14,5%, жидкое стекло - 18,5%. В работе использовалось натриевое жидкое стекло в соответствии с ГОСТ 13078-81 с модулем М=2,4 и плотностью р=1,36 г/см3.
Таблица 1 - Качественный состав смесей
Состав 1 Состав 2 Состав 3 Состав 4
Метасиликат натрия + + - -
Жидкое стекло - - + +
Вода + + - -
Известняк + - + -
Кремнефтористый натрий + + + +
Оксид титана + - + -
Остаток щелочной обработки диатомита - + - +
Выбор наполнителей для силикатных материалов осуществляется исходя из соотношения химической активности компонентов, на основе изучения взаимодействия наполнителя и связующего, состава продуктов фазовых превращений на его поверхности. Для улучшения технических и эксплуатационных свойств покрытий используются наполнители, многие из которых имеют природное происхождение [2]. В качестве наполнителя в исследуемых нами составах использовались известняк с размером частиц менее 0,086 мм (химический состав: СаО - 55,82%; МдО - 0,33%; РеО - 0,08%; МпО - 0,004%; 8Ю2 -
0,29%; К2О - 0,05%; Ыа2О - 0,07%) и отмытый остаток диатомита после его обработки раствором гидроксида натрия концентрацией 20% при температуре 90°С в течение 90 минут. Минеральный состав остатка представлен на 33% кварцем, на 18% полевыми шпатами и на 49% глинистыми минералами (монтморрилонит, слюда).
В качестве отвердителя использовался кремнефтористый натрий в соответствии с ТУ 609-1461-76, а в качестве пигмента - диоксид титана (IV) в соответствии с ТУ 6-09-2166-77.
Покрытия наносили ручным способом (кистью) на стальные пластины размером 10^50 мм. Пластины предварительно обезжиривали и выдерживали в соляной кислоте (20%) в течение 10 сек. Толщина покрытий на основе жидкого стекла составляла 0,8-1 мм, на основе метасиликата натрия - около 0,5 мм.
Для определения времени высыхания контролировали потерю массы воды образцов при комнатной температуре в течение 2 часов. Результаты опыта представлены на рисунке.
Испытания покрытий на стойкость к перепаду температур проводили согласно ГОСТ 27037-86 [3], адгезионные свойства определялись согласно ГОСТ 15140-78 [4].
Как видно из кривых 2 и 4 (рис. 1), потеря массы воды покрытий, в состав которых входил остаток щелочной обработки диатомита, сравнительно больше, чем у покрытий, в состав которых присутствовал известняк. Это явление объясняется высокими поглотительными способностями глинистой составляющей остатка щелочной обработки диатомита и его пористой структурой. Кроме того, потеря массы воды образца покрытия состава 4 (14%) меньше по сравнению с потерей массы образца состава 2 (22%). Предположительно, это связано с тем, что жидкое стекло под действием воздуха образует пленку, препятствующую быстрой потере воды покрытием.
Согласно кривым 1 и 3, для высушивания покрытий соответствующих составов требуется меньшее время. Потеря массы указанных покрытий составляет 10-12%. Вероятно, это связано с образованием нерастворимой двойной соли состава хСаСО3уЫа281О3 при
взаимодействии известняка с силикатами натрия [5], вследствие чего покрытие быстрее твердеет, и вода находится под слоем указанной соли.
Состав 1 Состав 2 Состав 3 Состав 4
Время, АЛИН
Рис. 1 - Потеря массы воды покрытий во времени в зависимости от состава
В результате испытаний образцов на устойчивость к перепаду температур с 200°С до 20°С было замечено, что покрытия на основе метасиликата натрия сохраняют свою монолитность, не вспучиваются, не отслаиваются. Покрытия на основе жидкого стекла вспучивались и отслаивались. Вероятно вспучивание жидкостекольных пленок связано с усиленным влагоудалением, а также происходит термическое разложение геля кремниевой кислоты, что приводит к расширению покрытия с возможным выгоранием связующего вследствие удаления физически связанной воды, что приводит к повышенной хрупкости покрытия.
Адгезия является чрезвычайно важным показателем покрытия. Испытания на адгезию (табл.2) показали, что наилучшей адгезией к металлической подложке обладают составы на
Таблица 2 - Адгезионные свойства исследуемых покрытий
Состав Балл Описание поверхности лакокрасочного покрытия после нанесения надрезов в виде решетки
1 2 Незначительное отслаивание покрытия в виде мелких пересечения линий решетки. чешуек в местах
2 2 Незначительное отслаивание покрытия в виде мелких пересечения линий решетки. чешуек в местах
3 3 Частичное или полное отслаивание покрытия вдоль решетки или в местах их пересечения. линий надрезов
4 3 Частичное или полное отслаивание покрытия вдоль решетки или в местах их пересечения. линий надрезов
основе метасиликата натрия. По всей видимости, это связано со сложными коллоиднохимическими процессами, происходящими еще во время твердения их [6]: частицы метасиликата натрия при смешении с зернами наполнителей в сухом состоянии хорошо адсорбируются на их поверхности. При увлажнении смеси частицы метасиликата растворяются в воде, образуя клейкий коллоидный раствор щелочного силиката, который,
обволакивая поверхность зерен наполнителя, цементирует их между собой. При высушивании покрытий раствор щелочного силиката концентрируется и прочно связывает зерна наполнителя между собой в единый прочный конгломерат, обладающий, в свою очередь, повышенной адгезией к подложке. Кроме того, возможно образование геля кремниевой кислоты, который, обволакивая зерна наполнителя и уплотняясь, дополнительно упрочняет покрытие.
Аналогичные результаты были получены при использовании метасиликата натрия пятиводного, синтезированного из серпентинита Киембайского месторождения.
На основании приведенных данных можно сделать вывод, что замена жидкого стекла в качестве связующего на метасиликаты натрия благоприятно влияет на стойкость к перепадам температур и адгезионные свойства покрытий. Использование в качестве наполнителя алюмосиликатного остатка щелочной обработки диатомита увеличивает продолжительность высыхания силикатных покрытий, однако, позволяет решить проблему утилизации отходов производства метасиликатов натрия из диатомитов и разработать технологию их комплексной переработки.
Литература
1. Григорьев, П.Н. Растворимое стекло: получение, свойства и применение / П.Н. Григорьев, М.А. Матвеев. - М.: Госуд. изд-во лит-ры по строительным материалам, 1956. - 443 с.
2. Корнеев, Д.В. Растворимое и жидкое стекло / Д.В. Корнеев, В.В. Данилов. - СПб.: Стройиздат, 1996. - 216 с.
3. ГОСТ 27037-86. Материалы лакокрасочные. Метод определения устойчивости к перепаду температур. - Введ. 1986-21-10. - М.: Издательство стандартов, 1987. - 3 с.
4. ГОСТ 15140-78. Материалы лакокрасочные. Методы определения адгезии. - Взамен ГОСТ 1514069; введ. 1978-01-01. - М: Издательство стандартов, 1982. - 10 с.
5. Жилин, А.И. Растворимое стекло, его свойства, получение, применение / А.И. Жилин. - Свердловск: Ур.рабоч., 1939. - 100 с.
6. Матвеев, М.А. Получение безобжиговых абразивных изделий на основе гидросиликатного стекла / М.А. Матвеев // Труды МХТИ. - 1954. - Вып. 18. - С. 135-141.
© Е. Н. Филиппович - асс. каф. технологии неорганических веществ и материалов КНИТУ, [email protected]; Л. Н. Нажарова - канд.тех.наук, доц. той же кафедры, Г. Г. Мингазова -канд.хим.наук, доц. той же кафедры.
