Структурная организация геля кремниевой кислоты Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

УДК 621.742.4 Фирстов А.П.

СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ГЕЛЯ КРЕМНИЕВОЙ КИСЛОТЫ

Аннотация. Применение литейных красок на основе натриевых жидких стекол с пористой структурой позволит сократить дефектность отливок, улучшить качество поверхностного слоя отливки и снизить затраты на ее механическую обработку.

Ключевые слова: структура, жидкое стекло, литейная краска.

Формирование структуры геля кремниевой кислоты происходит под действием разнообразных и взаимосвязанных физико-химических процессов, протекающих одновременно [1, 2]. Основными процессами, идущими при химическом отверждении и образовании геля кремниевой кислоты, являются изменения структурных элементов, приводящие истинный раствор в коллоидный. К этим процессам относятся [3- 6]:

- слипание не связанных в молекулу дигидроор-тосиликата натрия (№2Н28104), свободных оксидов кремния ^Ю2) в группы из 9 - 15 элементов первичных частиц;

- образование качественно новых объектов, получивших название мицелл (вторичные частицы);

- коагуляция мицелл и образование пространственной структуры геля кремниевой кислоты (третичные частицы).

Помимо структурных изменений происходят изменения с компонентами покровного слоя. Литейные краски на основе жидкого стекла отверждаемые сушкой, образуют на своей поверхности корку, которая препятствует миграции дисперсионной среды. Литейные краски на основе жидкого стекла, химически от-верждаемые, образуют пористую структуру [3, 4, 7], которая приводит:

- к испарению воды со свободной поверхности формируемого слоя краски в атмосферу;

- к диффузии дисперсионной среды в капиллярно-пористые слои под действием капиллярных сил;

- к диффузию дисперсионной среды к образовавшимся третичным частицам с созданием диффузионного слоя вокруг этих частиц.

После отверждения пограничного слоя краски и образования в нем пространственной структуры геля кремниевой кислоты поверхностный слой краски становится передатчиком воды из внутренних слоев в атмосферу.

Площадь свободной поверхности жидкости, с которой происходит испарение, не остается неизменной. Вначале эта площадь равна площади свободной поверхности поверхностного слоя. При образовании геля кремниевой кислоты площадь испарения уменьшается за счет образования капилляров твердыми частицами (глобулами) [8].

Сразу после формирования поверхностного слоя покрытия и фиксации огнеупорного материала гелем

© Фирстов А.П., 2017

кремниевой кислоты вода устремляется в образовавшиеся частицами капилляры. Глубина внедрения зерен наполнителя зависит от вязкости раствора, размера, формы и удельной массы частиц огнеупорного материала.

Раствор ортокремниевой кислоты (Н48104) представляет собой коллоидный раствор кремниевой кислоты в воде. То есть дисперсионная среда как сплошная или непрерывная фаза представлена в данном случае водой. Дисперсная фаза, раздробленная и распределенная в дисперсионной среде, представлена мицеллами кремнезема. Каждая мицелла окружена двойным электрическим слоем из отрицательных и положительных ионов на ее поверхности:

]• пИ^Ю^ • 2(п -х)И+) • 2хИ+

Это происходит потому, что молекулы, которые находятся на поверхности коллоидных частиц, вступают в химическую реакцию с дисперсионной средой (водой). Продуктом этой реакции является ортокрем-ниевая кислота Н48104. При образовании геля мицеллы под действием ван-дер-ваальсовых сил коагулируют, образуя крупные коллоидные частицы, создающие пространственные структуры (глобулы). Процесс образования геля сопровождается реакциями поликонденсации.

Глобула представляет собой золь кремниевой кислоты, стабилизированный гидроксидами щелочных металлов и содержащий силанольные группы (=81-ОН). Эти группы поликонденсируются с образованием прочных силоксановых связей (=Si-О-Si=). При этом выделяется свободная или конденсационная вода [9-11].

Превращение в поверхностном слое эластичного золя кремниевой кислоты в хрупкий гель сопровождается образованием капиллярно-пористой структуры [2,3,12]. Если внутри пористого тела, заполненного дисперсионной средой, происходит ее испарение, то начинается движение жидкости в зону испарения. В образующиеся капилляры начинается диффузия дисперсионной среды, составляющей коллоидный раствор. Скорость увеличения внутренних напряжений превышает скорость увеличения прочностных характеристик поверхностного слоя.

№3 (22). 2017

15

Раздел 3

Характер испарения воды различен, как обработанного кислотой натриевого жидкого стекла (см. рисунок, а), так и у натриевого жидкого стекла, не обработанного кислым отвердителем (см. рисунок, б). Время нахождения поверхностного слоя определялось полным его разрушением.

а б

Характер испарения воды с поверхностного слоя

Очевидно, что поверхностный слой натриевого жидкого стекла, не обработанного кислым отвердите-лем, вспучиваются и нарушается целостность. В поверхностном слое натриевого жидкого стекла, обработанного кислотой, испарение воды идет равномерно со всей площади покрытия, и при разрушении покрытия отслаивание не наблюдается. Происходит только разрушение покрытия с равномерным растрескиванием по всей площади.

Впитывание растворителя формой или стержнем и испарение его со свободной поверхности отвер-ждаемого слоя приводит к уменьшению концентрации воды на обеих границах отверждаемого слоя. А так как система стремится к равновесному распределению концентраций, отверждение поверхностного слоя сопровождается диффузионными процессами.

Анализ формирования структуры геля кремниевой кислоты подтверждает возможность производственного применения натриевых жидких стекол в качестве литейных красок для получения качественного поверхностного слоя фасонного изделия.

Опытные исследования дают положительное решение по применению пористых структур натриевого жидкого стекла в литейном производстве в качестве защитного поверхностного слоя на литейной форме

[13].

Список литературы

Борсук П.А., Лясс А.М. Жидкие самотвердеющие смеси. М.: Машиностроение, 1979. 255 с. Неймарк И.Е., Шейнфайн Р.Ю. Силикагель, его получение, свойства, примение. К.: Наук. думка, 1973. 200 c.

Айлер Р. Коллоидная химия кремнезема и силикатов. М.: Госстройиздат, 1959. 92с. Айлер Р. Химия кремнезёма. М.: Мир, 1982. Ч. 1. 416 с.

Рыскин Я. И.. Ставицкая Г. П. Водородная связь и структура гидросиликатов. Л.: Наука, 1972. 165 с. Фирстов А.П. Макро- и микроструктура отверждаемого жидкого стекла // Литейщик России. 2015. № 7. С. 15 - 20.

Грузман В.М., Фирстов А.П. Противоэрозионные формовочные покрытия литейных форм // VII Всероссийская научно-практическая конференция «Литейное производство сегодня и завтра». СПб.: Изд-во Политехн. Ун-та, 2008, С. 73 - 75. Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Физико-химическая механика. Избр. тр. М.: Наука, 1979. 381 с. Стрелко В.В. Механизм полимеризации кремневых кислот. Коллоидн. ж., 1970, т. 32, N 3. С. 430 -436.

Vail 1С. Soluble Silicates. New York. 1952, vol. 1, 2. Фирстов А.П. Об отверждении жидко-стекольных связующих // Литейщик России. 2009. № 12. С. 40 - 41.

Валисовский И.В. Пригар на отливках. М., Машиностроение, 1983. 192 с.

Грузман В.М., Фирстов А.П. Жидкостекольные литейные краски // Литейное производство. 2006. №9. С.16 - 17.

10. 11.

12.

13.

Сведения об авторах

Фирстов Александр Петрович - канд. техн. наук, доц., Федерального Университета, E-mail: first55@mail.ru.

Нижнетагильский технологический институт (филиал) Уральского

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

STRUCTURAL ORGANIZATION OF THE GEL OF SILICIC ACID

Firstov Alexander Petrovich - Ph.D. (Eng.), associate Professor, Nizhny Tagil Technological Institute (branch), Ural Federal University, Nizhny Tagil, Russia. E-mail: first55@mail.ru

Abstract. The use of foundry paints based on liquid sodium glass with a porous structure will reduce the defects of castings, to improve the quality of the surface layer of the casting and reduce the cost of machining. Keywords: structure, liquid glass, foundry paint.

Ссылка на статью:

Фирстов А.П. Структурная организация геля кремниевой кислоты // Теория и технология металлургического производства. 2017. №3(22). С. 15-16.

Firstov A. P. Structural organization of the gel of silicic acid // Teoria i tehnologia metallurgiceskogo proizvodstva. [The theory and process engineering of metallurgical production]. 2017, vol. 22, no. 3, pp. 15-16.

16--Теория и технология металлургического производства