Влияние взаимодействия гексафторосиликата натрия и жидкого стекла на прочность древесиных композиционных материалов Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 678.06-405; 666.189

Л. Ю. Дубовская, инженер ОДО МИГ; Л. В. Игнатович, канд. тех. наук, доцент

ВЛИЯНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГЕКСАФТОРОСИЛИКАТА НАТРИЯ И ЖИДКОГО СТЕКЛА НА ПРОЧНОСТЬ ДРЕВЕСНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

In article researches of properties knitting on the basis of liquid glass and the modifying additive in a kind hexafluorosilicates sodium are resulted. The firm product of interaction and initial connections have been analysed on the maintenance of silicon by a method of the elektronno-microscopic analysis with use of a raster microscope with a microprobe allowing elementwise to define a chemical compound of investigated objects. By means of ИК - the spectroscopic analysis features of interaction of components knitting on the basis of modified hexafluorosilicates sodium of liquid glass, including with participation of a wood filler are established.

Введение. Известно, что отходы от деревообрабатывающих производств чаще всего сжигаются, однако теплотворная способность опилок достаточно низкая и использование мягких отходов в данном качестве является экономически наименее целесообразным по отношению к другим видам древесного топлива. Существует другое рациональное применение древесным отходам - в качестве сырья для производства композиционных материалов на минеральном вяжущем. Хорошим минеральным вяжущим является жидкое стекло, которое имеет высокую адгезию к древесине, низкую стоимость и доступность исходного сырья. Однако к существенным недостаткам жидкого стекла следует отнести его низкую водостойкость. Повысить клеящие свойства жидкого стекла и его водостойкость можно путем модифицирования гексафторосилика-том натрия, который к тому же ускоряет процесс схватывания и твердения жидкого стекла. Взаимодействие жидкого стекла с гексафторо-силикатом натрия неоднократно обсуждалось в литературе, однако единое мнение о его механизме отсутствует. Некоторые исследователи считают, что основным процессом твердения масс, состоящих из жидкого стекла, гек-сафторосиликата натрия, нейтрального наполнителя и воды, является химическое взаимодействие жидкого стекла с гексафторосилика-том натрия [1]. Однако в работе [1] исследователи утверждают, что твердению жидкого стекла предшествует его гидролиз с последующим связыванием образовавшейся щелочи веществами, вводимыми в эти композиции в качестве отвердителя. В то же время на основе представлений, известных в химии силикатов, результат такого химического взаимодействия трудно, а подчас и невозможно свести к химической реакции в привычном формульном выражении. При этом направление взаимодействия реагентов зависит не только от их химической природы, но и от целого ряда нехимических факторов: порядка смешивания реагентов, скорости и продолжительности перемешивания, температуры и т. п. [1].

Разноречивость мнений исследователей о взаимодействии компонентов использованного вяжущего и полученные экспериментальные данные об упрочнении материалов при добавлении к жидкому стеклу гексафторосиликата натрия потребовали проведении исследований.

Основная часть. С целью идентификации продуктов взаимодействия гексафторосиликата натрия и жидкого стекла в присутствии древесных опилок и без них были электронномикро-скопический анализ и ИК-спектроскопические исследования исходных компонентов и продуктов их взаимодействия. Инфракрасные спектры поглощения анализируемых соединений были записаны в диапазоне частот 400-4000 см"1 путем непосредственного анализа индивидуальных веществ без предварительного смешения с KBr. Спектры получены на однолучевом ИК-Фурье спектрофотометре «FTIR-8601 PC» фирмы «SHIMADZU» с алмазной кюветой «5х beam condenser» фирмы «Graseby specac». При анализе записанных нами ИК-спектров поглощения исследуемых соединений рассматривали в общем случае число полос поглощения, относящихся к колебаниям данного иона или молекулы, и частотный интервал их проявления. Результаты проведенных исследований позволяют утверждать, что в основе взаимодействия исходных соединений (жидкого стекла и Na2SiF6) лежит химическая реакция, протекающая по уравнению (1):

2(Na2Û ■ 3,2SiÛ2 ■ пН 2О) + 2Na2SiF6 ^ ^ 8NaF + SiF4 + 7,4(SiÛ2 ■ пН 2О). (1)

Правомерность высказанного мнения подтверждают следующие наблюдения и факты. Уже на стадии приготовления смеси кристаллического гексафторосиликата натрия (Na2SiF6) и жидкого стекла (Na2SiO3) визуально наблюдалось выделение пузырьков газа, который был идентифицирован нами как SiF4. Реакция взаимодействия протекает достаточно быстро (в течение 10-15 мин) и необратимо. Так как содержание NaF в твердом продукте взаимодействия (ТПВ) Na2SiF6 и Na2SiO3 через 24 ч

оставалось таким же, как после 1 0-минутного взаимодействия, этот твердый продукт и исходные соединения были проанализированы на содержание кремния методом электронно-микроскопического анализа с использованием растрового микроскопа с микрозондом, позволяющим поэлементно определять химический состав исследуемых объектов. В результате было установлено, что суммарное содержание общего кремния в исходных продуктах (№28^) + + №28^3) составляет 25,28

мас. %. Это пр вышает содержание общего кремния в твердом продукте взаимодействия на величину 12,39 мас. %. Эта разность как раз соответствует содержанию общего кремния в газообразном продукте взаимодействия. Вышесказанное можно представить балансовой схемой уравнения (2):

(81 №28^ + №28103) -

- 81 прод. реакции = 81 81Б4. (2)

Или в пересчете на 10 0мас. ч. жидкого стекла и 16 мас. ч. гексафторосиликата натрия баланс по распределению кремния имеет вид уравнения (3):

(5,51 + 2,38) - 6,7 = 1,20 мас. %. (3)

Присутствие оксида кремния в твердом продукте взаимодействия исходных компонентов подтверждается ИК-спектроскопическими исследованиями. ИК-спектры анализируемых продуктов приведены на рис. 1 . Подтверждением того, что в смеси Ка281Б6 и Ка28103 в присутствии Н2О идет реакция взаимодействия, приводящая к разрушению SiF62- и 81032-анионов с образованием 8102, является отсутствие в ИК-спектрах смеси Ка281Б6 + Ка28103 полос поглощения, отвечающих колебаниям аниона 81Бб2-, -733, 494 и 475 см- и 8Ю32- -1018, 900, 770, 474, 436 см- (рис. 1). Вид ИК-

спектра смеси Ка281Б6 + Ка28103 после взаимодействия практически идентичен ИК-спектру аморфного 8102. Отсутствие в ИК-спектрах смеси Ка281Б6 и Ка28103 полос поглощения, отвечающих колебаниям связано с тем,

что содержание в ней примеси КаБ (уравнение) ниже нижнего предела обнаружения его соответствующими приборами [2].

Результаты исследования позволяют допустить, что прочность сцепления частиц древесины в композиционном материале [3] обусловлена образованием устойчивой кристаллической структуры (рис. 2), состоящей из молекул SiO2 • 2Н2О и NaF, образующихся при взаимодействии гексафторосиликата натрия (Ка281Б6) и жидкого стекла 28103) по вышеприведенной реакции. В то же время на ИК-спектрах разработанных композиционных материалов целевого назначения [3] обнаруживаются полосы поглощения, соответствующие колебаниям аниона SiF б2- - 730, 490 и 474 см-(рис. 2). Это указывает на присутствие гексаф-торосиликата натрия в составе получаемых материалов. Вероятнее всего показанная выше реакция взаимодействия Ка281Б6 и Ка28103 при добавлении заполнителя - древесных опилок протекает не полностью из-за возможных стерических затруднений, возникающих при взаимодействии компонентов вяжущего и древесины между собой [4].

Заключение. 1. Повышение прочности материалов, получаемых на основе измельченной древесины и жидкого стекла в присутствии гексафторосиликата натрия, вызвано образованием новых водородных связей с древесиной вследствие участия в формировании структуры ионов фтора, присутствующих в анионе SiF 62- и обладающих большой электроотрицательностью [5].

Рис. 1. ИК-спектры поглощения:

1 - 2^0 • 8102 • пН20 + 2 №28^; 2 - аморфный 8102

4000.0 3500 ' ' ЗООО * ' 2500 "* * " 2ООО * * ' 1500' ' ' " * ' ' ' " 500

W¡^vcnumЬl;rs (см-1 )

Рис. 2. ИК-спектры поглощения: 1 - древесные опилки; 2 - материал конструкционный; 3 - материал теплоизоляционный

2. Повышению водостойкости таких материалов может способствовать снижение содержания гидрофильных гидроксильных групп, хорошо заметное при сравнении ИК-спектров «Силком-К», «Силком-И» и исходной древесины (в древесине полоса поглощения области 3000-3700 см-1 значительно глубже и шире) [4].

Литература

1. Матвеев, М. А. К вопросу твердения пористых изделий на щелочно-силикатной связке / М. А. Матвеев, К. А. Смирнов // Сб. науч. тр. / Общесоюзный научно-исследовательский институт строительной керамики «НИИстройке-рамика МПСМ СССР». - М.: Госстройиздат. -Вып. 3. - С. 147-163.

2. Атлас инфракрасных спектров поглощения и рентгенографических данных комплексных фторидов металлов IV и V групп / Р. Л. Давидович [и др.]; под общ. ред. Р. Л. Давидовича. -М., 1972. - 252 с.

3. Дубовская, Л. Ю. Композиционный материал на основе древесных отходов и минерального вяжущего / Л. Ю. Дубовская, А. А. Янушкевич // Известия Белорусской инженерной академии. - 2004. - № 2. - С. 29-30.

4. Карклинь В. Б. ИК-спектроскопия древесины и ее компонентов / В. Б. Карклинь, Е. Э. Охерина // Химия древесины. - 1981. -№ 4. - С. 38-44.

5. Жбанков, Р. Г. Инфракрасные спектры целлюлозы и ее производных / Р. Г. Жбанков. -Минск, 1964. - 338 с.