Научная статья на тему 'Роль цинкосодержащих модифицирующих добавок в формировании структуры силикатнатриевых композиционных материалов'

Роль цинкосодержащих модифицирующих добавок в формировании структуры силикатнатриевых композиционных материалов Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
219
52
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЖИДКОЕ НАТРИЕВОЕ СТЕКЛО / LIQUID NITRIC GLASS / УКСУСНОКИСЛЫЙ ЦИНК / SODIUM ACETATE / МОДИФИЦИРОВАНИЕ / ЩЕЛОЧНОЙ ГИДРОЛИЗ / ALKALINE HYDROLYSIS / ОРТОСИЛИКАТ ЦИНКА / ZINC ORTHOSILICATE / ГИДРООКСИД ЦИНКА / УКСУСНОКИСЛЫЙ НАТРИЙ / КОЭФФИЦИЕНТ РАЗМЯГЧЕНИЯ / ВОДОСТОЙКОСТЬ / WATER RESISTANCE / СИЛИКАТНАТРИЕВЫЕ КОМПОЗИТЫ / SILICATE-NATRIC COMPOSITES / ETHANOATE ZINC / MODIFYING / ZINC HYDROOXYDE / CUSHIONING PARAMETER

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Иващенко Ю.Г., Павлова И.Л., Кочергина М.П.

Рассмотрены некоторые закономерности структурообразования силикатнатриевых композиций с добавкой уксуснокислого цинка в виде водного раствора. Представлены результаты рентгенофазового анализа образца на основе модифицированного силикатнатриевого связующего и показано, что в результате взаимодействия водных растворов силиката натрия и уксуснокислого цинка в пределах установленного оптимума, цинковая соль полностью подвергается щелочному гидролизу. Также показано, что с большой долей вероятности продуктами реакции являются побочное растворимое соединение в виде ацетата натрия (уксуснокислого натрия), образующееся на начальном этапе химического взаимодействия и различные формы ортосиликата и гидрооксида цинка, которые характеризуются как соответственно нерастворимые и малорастворимые соединения, что способствует повышению водостойкости исследуемых композитов, отвержденных при низкотемпературном режиме (110°С).

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — Иващенко Ю.Г., Павлова И.Л., Кочергина М.П.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Zinc-containing modifying additives role in formation of silicate-natric composite material

Long-range building materials with possible complex of desired properties are silicate-natric adhesive-based composites. One of effective ways to increase silicate-natric composites water resistance is using of modifying compounds containing polyad metals ions (Zn2+,Ca2+,Mg2+,Al3+). This paper presents some patterns of silicate-natric composites structuring with ethanoate zinc as a water solution. There are results of X-ray phase analysis of silicate-natric composites sample. X-ray phase analysis (XPA) was held with diffractometer проводился на дифрактометре DXGP-4 using X-ray tube with anode copper (Сu-K излучение). For analyzing XRD patterns date base PCPDFWIN, v. 2.02, 1999, (JCPDS) was used. It is clear that as a result of sodium silicate and ethanoate zinc water solutions interaction in optimal range zinc salt is fully under alkaline hydrolysis. It is also highly likely that this interaction produces supplementary compounding sodium acetate, at the initial stage, and various forms of zinc orthosilicate and hydrooxyde, characterized as insoluble and low-soluble compounds respectively, that promotes water resistance increasing of studied composites, when low-baked (110°С). In terms of researches compounds of various profiles are developed and recommended (heat-isolating, heat-isolating-constructive, constructive) with high functional and operating characteristics).

Текст научной работы на тему «Роль цинкосодержащих модифицирующих добавок в формировании структуры силикатнатриевых композиционных материалов»

Роль цинкосодержащих модифицирующих добавок в формировании структуры силикатнатриевых композиционных материалов

Ю.Г. Иващенко, И.Л. Павлова, М.П. Кочергина Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

Аннотация: Рассмотрены некоторые закономерности структурообразования силикатнатриевых композиций с добавкой уксуснокислого цинка в виде водного раствора. Представлены результаты рентгенофазового анализа образца на основе модифицированного силикатнатриевого связующего и показано, что в результате взаимодействия водных растворов силиката натрия и уксуснокислого цинка в пределах установленного оптимума, цинковая соль полностью подвергается щелочному гидролизу. Также показано, что с большой долей вероятности продуктами реакции являются побочное растворимое соединение в виде ацетата натрия (уксуснокислого натрия), образующееся на начальном этапе химического взаимодействия и различные формы ортосиликата и гидрооксида цинка, которые характеризуются как соответственно нерастворимые и малорастворимые соединения, что способствует повышению водостойкости исследуемых композитов, отвержденных при низкотемпературном режиме (110°С).

Ключевые слова: жидкое натриевое стекло, уксуснокислый цинк, модифицирование, щелочной гидролиз, ортосиликат цинка, гидрооксид цинка, уксуснокислый натрий, коэффициент размягчения, водостойкость, силикатнатриевые композиты.

Перспективными строительными материалами с возможным получением комплекса заданных свойств являются композиты на основе силикатнатриевых связующих. Современные методы модифицирования позволяют улучшить функциональные свойства силикатнатриевых композитов и расширить область их применения в строительном комплексе и жилищно-коммунальном хозяйстве [1-4].

Одним из эффективных способов повышения водостойкости силикатнатриевых композитов является применение модифицирующих соединений, содержащих ионы поливалентных металлов (Zn2+,Ca2+,Mg2+,Al3+). В научно-технической литературе отмечается перспективность применения водных растворов силикатов натрия и солей поливалентных металлов как прекурсоров (источников кремнезема и оксидов металлов) в синтезе силикатов цинка, магния, кадмия, кальция,

алюминия и т.д., используемых в различных областях промышленности [5-8]. По известным данным нитраты, ацетаты, сульфаты и т.д. поливалентных металлов при термолизе способны разлагаться до соответствующих оксидов металлов, а при щелочном гидролизе образовывать соответствующие гидрооксиды, которые, в свою очередь, способны вступать в химическое взаимодействие с силикатом натрия и образовывать труднорастворимые силикаты соответствующих металлов [6,9].

Проведенные ранее научные исследования показали, что получение водостойких силикатнатриевых композитов (значения коэффициента размягчения (Кр) которых находятся в пределах 0,81-0,84), отвержденных при низкотемпературном режиме (110°С), возможно при использовании в качестве отвердителя кремнефтористого натрия и модифицирующей добавки - уксуснокислого цинка (ацетата цинка), представляющего собой водорастворимую цинковую соль уксусной кислоты. Экспериментально установлено, что наиболее эффективно вводить предлагаемый модификатор в связующее в виде водного раствора [10].

Целью настоящей работы является исследование процессов структурообразования силикатнатриевого связующего, модифицированного уксуснокислым цинком.

Понимание механизма формирования труднорастворимых комплексов при модифицировании силикатнатриевого связующего уксуснокислым цинком и развития представлений о процессах структурообразования в модифицированной системе, позволят контролировать их синтез и разрабатывать силикатнатриевые композиты с заранее заданными свойствами и с улучшенными функциональными характеристиками.

Для приготовления силикатнатриевых композиций применялись следующие материалы: натриевое жидкое стекло (ГОСТ 13078-81);

модификатор: уксуснокислый цинк (чистый для анализа (ЧДА) ГОСТ 5823-78 (с изм. 1,2.); вода, соответствующая ГОСТ 23732-2011.

Рентгеноструктурный фазовый анализ (РФА) проводился на дифрактометре ДРОН-4 с использованием рентгеновской трубки с медным анодом (Си-Ка излучение). Для анализа дифрактограмм использовалась база данных PCPDFWIN, у. 2.02, 1999, Международного Центра по дифракционным данным. (ЮРОБ).

Уксуснокислый цинк, введенный в силикатнатриевое связующее в виде водного раствора, очевидно, подвергается щелочному гидролизу с выпадением белого осадка в виде объемистых волокнистых (рыхлых) сгустков (рис.1).

а) б)

Рис.1. - Микроскопический снимок пленки модифицированного силикатнатриевого связующего: а) Ув.х10; б) Ув.х40;1) матрица связующего; 2) образующийся осадок В научно-технической литературе вопрос о составе образующегося осадка, а также продуктах реакции водного раствора силиката натрия с растворами солей поливалентных металлов остается дискуссионным. Одни авторы говорят о возможном образовании силикатов металлов, другие утверждают, что осаждение влечет за собой взаимную коагуляцию гидратированного оксида цинка и кремнезема. Айлер пишет, что силикаты

металлов обычно осаждаются из раствора щелочного силиката (например, силиката натрия) в виде гелеобразной аморфной фазы [6].

В результате смешивания водных растворов силиката натрия (жидкого натриевого стекла) и уксуснокислого цинка образуется вязко-пластичная смесь с достаточно равномерным распределением продуктов щелочного гидролиза. При этом наблюдается частичное растворение осадка, что, в свою очередь, позволяет предполагать о наличии гидроксида цинка, который, по -видимому, проявляя свои амфотерные свойства, частично растворяется в избытке водного щелочного раствора. Также вероятнее всего, присутствуют гидратные формы силиката цинка. В работах Каргина В.А. и Пустовалова Е.В. микроскопическими и рентгенографическими исследованиями показано, что продуктом реакции между водным раствором силиката натрия и растворами солей двух- и трехвалентных металлов является гель кремневой кислоты. Помимо этого в системе модифицированного связующего возможно присутствие уксуснокислого цинка, а также образование уксуснокислого натрия (ацетата натрия).

На рис. 2 (а) представлена дифрактограмма РФА образца на основе не модифицированного связующего (жидкого натриевого стекла), который находится в рентгеноаморфном состоянии.

В образце связующего, модифицированного уксуснокислым цинком фиксируется большое количество аморфной фазы (рис. 2 б). Однако, наличие отдельных кристаллических рефлексов рентгеновского спектра свидетельствует о возможном присутствии в системе следующих фаз: Zn2SiO4H2O; y-Zn(OH)2; б-Zn(OH)2•0,5H2O. Также наличие характерных кристаллических рефлексов не исключает возможного присутствия в системе фазы р^п^ю4.

Наличие характерных рентгеновских линий указывают на кристаллизацию ацетата натрия, образовавшегося по схеме:

и

Zn(CHзCOO)2•2H2O + H2O ^ 2СН3СООН +Zn(0H)2+Н20 (1) Na2SiOз•mН2O +СН3СООН ^ 2CHзCOONa +H2SiOз (2)

300 -,

О

20

40

26, град.

60

80

20

40

26, град.

60

80

а)

б)

Рис. 2. - Дифрактограмма: а) силикатнатриевого связующего (жидкого натриевого стекла) ^=110°^; б) силикатнатриевого связующего, модифицированного водным раствором уксуснокислого цинка (1=110°^ По данным РФА образца двуводного уксуснокислого цинка, термически обработанного в диапазоне температур 110-180°С все линии на дифрактограмме принадлежат фазе р-с4н60^п. Отсутствие на дифрактограме образца на основе модифицированного силикатнатриевого связующего рентгеновских линий идентичных фазам цинковой соли свидетельствуют о том, что уксуснокислый цинк, введенный в силикатнатриевое связующее в виде водного раствора в пределах установленного оптимума, полностью подвергается щелочному гидролизу с образованием идентифицированных цинкосодержащих соединений.

В табл. 1 представлены результаты обработки дифрактограммы силикатнатриевого связующего, модифицированного водным раствором уксуснокислого цинка (рис. 2б).

М Инженерный вестник Дона, №2, ч.2 (2015) ¡\с1оп. ru/ru/magazine/arcЫve/n2p2y2015/3012

Таблица № 1

Результаты обработки дифрактограммы

Соединение (обозначение на дифрактограмме) Межплоскостное расстояние, D,A Примечание: растворимость соединения в воде

Zn2SiO4H2O (-) 6,758; 4,575; 3,67; 3,12; 2,57; 2,43; 2,027; 1,815... нерастворимое

P-Zn2SiO4 (") 4,100; 3,490; 2,470; 2,118; 2,027; 1,631. нерастворимое

y-Zn(OH)2 (◦) 7,500; 5,539; 3,968; 3,867; 3,708; 2,755; 2,698; 2,005 ... малорастворимое

5-Zn(OH)2•0,5H2O (•) 8,450; 6,110; 5,130; 4,745; 4,270; 4,100; 3,375; 3,253. малорастворимое

CHзCOONa•3 H2O (0) 7,640; 5,310;3,910;3,570; 2,980; 2,860; 2,220; 1,790.. растворимое

Идентификация различных форм ортосиликата цинка помимо большого количества аморфной фазы затруднена наложением дифракционных линий. К тому же различные модификации силикатов цинка могут находиться в аморфном состоянии, в связи с чем не предоставляется возможность определить количественное содержание синтезированных в силикатнатриевой системе соединений. Также, несомненно, что продуктом реакции является гель кремневой кислоты, выделение которого в большей степени происходит за счет взаимодействия водного раствора силиката натрия и уксусной кислоты. Методом РФА установлено наличие нерастворимых в воде цинксодержащих соединений, образование которых, очевидно, происходит на первоначальном этапе взаимодействия между модификатором и связующим в результате химического соосаждения в

щелочной системе водного раствора силиката натрия, что способствует повышению водостойкости исследуемых композитов. Разработка и применение методов направленного синтеза позволит контролировать образование побочного растворимого соединения - ацетата натрия.

Мы полагаем, что результат прохождения химических реакций между водным раствором силиката натрия и водными растворами ацетатов кальция, магния, алюминия и железа аналогичен, рассмотренному выше.

Управление процессами структурообразования строительных композитов на основе модифицированного силикатнатриевого связующего и формирования свойств достигается оптимизацией составов, а также технологическими параметрами в процессах гомогенизации смесей, термообработки и т.д. На основании проведенных исследований разработаны и рекомендованы составы для получения строительных изделий различного назначения (теплоизоляционные, теплоизоляционно-конструкционные, конструкционные) с высокими функциональными и эксплуатационными характеристиками.

Литература

1. Фиговский О.Л., Кудрявцев П.Г. Жидкое стекло и водные растворы силикатов, как перспективная основа технологических процессов получения новых нанокомпозиционных материалов // Инженерный вестник Дона, 2014, №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2448.

2. Figovsky O., Borisov Yu, Beilin D. Nanostructured Binder for Acid-Resisting Building Materials // J. Scientific Israel-Technological Advantages. 2012. Vol. 14(1). pp. 7-12.

3. Малявский Н.И., Душкин О.В., Великанова Н.В. Новые способы модифицирование цинком щелочно-силикатных пеноматериалов // Вестник МГСУ. 2007. №1. С. 167-169.

4. Figovsky O., Beilin D. Improvement of Strength and Chemical Resistance of Silicate Polymer Concrete // International Journal of Concrete Structures and Materials. 2009. Vol. 3 (2). pp. 97-101.

5. Фиговский О.Л., Кудрявцев П.Г. Нанокомпозитные органоминеральные гибридные материалы // Инженерный вестник Дона, 2014, №2 URL: ivdon. ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2476.

6. Айлер Р. Химия кремнезема. В 2 ч. Ч. 1. изд. М.: Мир, 1982. 416 с.

7. Вассерман И. М. Химическое осаждение из растворов. Ленинград: Химия, 1980. 208 с.

8. Сидоров В.И., Малявский Н.И., Покидько Б.В. Получение низкосновных силикатов некоторых переходных металлов методом осаждения // Вестник МГСУ. 2007. №1. С. 163-166.

9. Некрасов Б.В. Основы общей химии. В 2 т. Т. 2. изд. Ленинград: Химия, 1973. 688 с.

10. Иващенко Ю.Г., Павлова И.Л., Кочергина М.П. Повышение заданных свойств силикатнатриевых композитов, модифицированных цинкосодержащими органическими соединениями // Национальная ассоциация учёных (НАУ). Ежемесячный научный журнал. 2015. №1 (6). С. 116-118.

References

1. Figovskiy O.L., Kudryavtsev P.G. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2448.

2. Figovsky O., Borisov Yu, Beilin D. J. Scientific Israel-Technological Advantages. 2012. Vol. 14(1). pp. 7-12.

3. Malyavskiy N.I., Dushkin O.V., Velikanova N.V. Vestnik MGSU. 2007. №1. pp. 167-169.

4. Figovsky O., Beilin D. International Journal of Concrete Structures and Materials. 2009. Vol. 3 (2). pp. 97-101.

5. Figovskiy O.L., Kudryavtsev P.G. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2476.

6. Ayler R. Khimiya kremnezema [Chemistry of silica]. V 2 ch. Ch. 1. izd. M.: Mir, 1982. 416 p.

7. Vasserman I. M. Khimicheskoe osazhdenie iz rastvorov [Chemical precipitation from solution]. Leningrad: Khimiya, 1980. 208 p.

8. Sidorov V.I., Malyavskiy N.I., Pokid'ko B.V. Vestnik MGSU. 2007. №1. pp. 163-166.

9. Nekrasov B.V. Osnovy obshchey khimii [Basics of general chemistry]. V 2 t. T. 2. izd. Leningrad: Khimiya, 1973. 688 p.

10. Ivashchenko Yu.G., Pavlova I.L., Kochergina M.P. Natsional'naya assotsiatsiya uchenykh (NAU). Ezhemesyachnyy nauchnyy zhurnal. 2015. №1 (6). pp. 116-118.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.