Повышение эффективности модификации силикатнатриевых связующих цинковой солью уксусной кислоты

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 691.335

ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Повышение эффективности модификации силикатнатриевых связующих цинковой солью уксусной кислоты

Иващенко Юрий Григорьевич

Павлова Ирина Леонидовна

Кочергина Мария Петровна

Аннотация

модифицированный жидкий стекло композит

В статье рассматривается способ модифицирования силикатнатриевого связующего (жидкого натриевого стекла) цинковой солью уксусной кислоты с целью повышения водостойкости композитов на его основе. Представлены результаты исследования модифицированных силикатнатриевых композиций методом рентгенофазового анализа (РФА).

Ключевые слова: жидкое натриевое стекло, ацетат цинка, гидроортосиликат цинка, гидроксид цинка, водостойкость.

Annotation

In this article, a method of modifying the sodium silicate binder (liquid sodium glass) zinc salt of acetic acid in order to increase the water resistance of the composites thereof. There are results of X-ray phase analysis of silicate-natric composites sample.

Keywords: water glass, modifier, zinc acetate, zinc hydroorthosilicate and hydrooxyde, water resistance.

Силикатнатриевые связующие (водные растворы силикатов натрия) являются перспективной вяжущей основой для получения кислотостойких, жаростойких строительных композитов, теплоизоляционных материалов и др., показатель водостойкости которых возможно повысить, учитывая закономерности структурообразования рассматриваемых связующих модифицированием [2,3,4,6].

Одним из эффективных способов повышения водостойкости силикатнатриевых композитов является применение модифицирующих соединений, содержащих ионы поливалентных металлов (Zn²⁺,Ca²⁺,Mg²⁺,Al³⁺), которые способны образовывать труднорастворимые силикаты и гидросиликаты соответствующих металлов при взаимодействии с водными растворами силикатов натрия. При этом для полноценного прохождения химических реакций необходимо, чтобы соединение металла гомогенно присутствовало в силикатнатриевой системе, и особенно на начальных этапах структурообразования композиций.

В общем можно предположить, что на начальных этапах структурообразования таких композиций формирование структуры и свойств, протекает за счет обменных реакций в зависимости от химической активности модифицирующих элементов и технологических параметров (способа введения металлосодержащего модификатора, порядка смешивания компонентов и т.д.).

В научно-технической литературе отмечается перспективность применения водных растворов силикатов натрия и солей поливалентных металлов как прекурсоров (источников кремнезема и оксидов металлов) в синтезе труднорастворимых силикатов цинка, магния, кадмия, кальция, алюминия и т.д., используемых в различных областях промышленности [1,5].

С целью повышения водостойкости силикатнатриевых композитов строительного назначения в качестве цинкосодержащего соединения предлагается использовать уксуснокислый цинк (ацетат цинка), представляющий собой водорастворимую цинковую соль уксусной кислоты, образованную слабым основанием и слабой кислотой.

Предположительно, что ацетат цинка может вступать во взаимодействие с силиктнатриевым связующим (СНС) как в виде дисперсного компонента, так и в виде водного раствора, с последующим образованием труднорастворимых гидросиликатов цинка. В связи с чем, задачей настоящего исследования является определение наиболее эффективного способа совмещения предлагаемого модификатора с силикатнатриевым связующим с установлением продуктов реакции в модифицированных системах.

Исследование проводилось следующим образом. Цинковая соль уксусной кислоты (ацетат цинка) вводилась в жидкое натриевое стекло соответственно как в виде сухого тонкодисперсного компонента, так и в виде насыщенного водного раствора. Эффективность способа введения оценивалась посредством сравнения показателей предела прочности на сжатие и коэффициента размягчения контрольных образцов, отверждаемых кремнефтористым натрием и образцов, которые дополнительно содержали ацетат цинка. При изготовлении образцов в качестве наполнителя применялся тонкомолотый кварцевый песок (S_уд=2500-3300 см²/г), расход кремнефтористого натрия составлял 10% по массе связующего. Образцы после суточного твердения в нормальных условиях выдерживались в течение 2 часов в сушильном шкафу с подъемом температуры до 110°С. Испытание образцов на прочность (R_сж) проводилось через 7 суток после тепловой обработки. Для определения коэффициента размягчения (К_р) водонасыщение образцов осуществлялось в течение 2-х суток в водопроводной воде. Рентгенофазовый анализ (РФА) проводился на дифрактометре ДРОН-4 с использованием рентгеновской трубки с медным анодом (Сu-K излучение). Для анализа дифрактограмм использовалась база данных PCPDFWIN, v. 2.02, 1999 г., Международного Центра по дифракционным данным (JCPDS).

По результатам испытаний образцы на основе контрольного состава обладают прочностью при сжатии R_cж=22,1 МПа и коэффициентом размягчения К_р=0,67. Введение дигидрата уксуснокислого цинка в виде дисперсного сухого компонента приводит к некоторому снижению значений предела прочности на сжатие и коэффициента размягчения относительно контрольного состава за счет недостаточно равномерного распределения связующего между зернами наполнителя. В результате неполной реакции гидролиза уксуснокислого цинка в водном щелочном растворе силиката натрия образуются активные адсорбционные центры в виде не равномерно распределенных дисперсных частиц модификатора, в связи с чем, плёночная матрица связующего становится прерывистой на участках поверхности наполнителя.

Дифрактограммы образцов на основе жидкого натриевого стекла, модифицированного тонкодисперсным дигидратом ацетатом цинка в пределах 0,6-4,5 % по массе связующего свидетельствуют о присутствии доминирующих кристаллических фаз негидролизованного дигидрата ацетата цинка Zn(C₂H₃O₂)₂•2H₂O и безводного ацетата цинка Zn(C₂H₃O₂)₂ (рис.1). Однако, наличие отдельных кристаллических рефлексов рентгеновского спектра не исключает возможного присутствия в системе следующих фаз: Zn₂SiO₄H₂O (гидроортосиликат цинка - труднорастворимое в воде соединение); г-Zn(OH)₂ (гидрооксид цинка - малорастворимое в воде соединение). Следовательно, экспериментальные данные в комплексе с РФА показывают, что ухудшению физико-механических параметров композитов на основе силикатнатриевого связующего модифицированного тонкодисперсным компонентом является результатом не полноценного химического взаимодействия именно на начальных этапах структурообразования композиций.

Экспериментальные данные показывают, что зависимости значений предела прочности на сжатие и коэффициента размягчения образцов от содержания уксуснокислого цинка в композиции в виде водного раствора носят экстремальный характер. При этом, для получения однородной смеси и повышения физико-механических характеристик наиболее рациональной является концентрация водного раствора ацетата цинка в пределах 20-28%. Рациональное содержание уксуснокислого цинка в композиции в пересчете на основное вещество составляет 2,1-3,6 % по массе силикатнатриевого связующего. Снижение показателей прочности и водостойкости при введении модификатора более 3,6% по массе связующего (в пересчете на основное вещество) является результатом потери связности композиции, вызванной структурными нарушениями силикатнатриевого связующего. Образцы на основе составов, содержащих рациональное количество модификатора, обладают повышенными прочностью и водостойкостью (R_cж=27,3-30,4 МПа; К_р=0,81-0,84) по сравнению с контрольными составами (R_cж=22,1 МПа; К_р=0,67;).

Исследование модифицированных композиций методом РФА показало следующее. В образцах связующего, модифицированного ацетатом цинка в виде 24%-ого водного раствора, фиксируется большое количество аморфной фазы (рис. 2). Однако, наличие отдельных кристаллических рефлексов рентгеновского спектра с большей долей вероятности свидетельствует о присутствии в системе фаз Zn₂SiO₄H₂O и г-Zn(OH)₂. Наличие характерных кристаллических рефлексов не исключает возможного присутствия в силикатнатриевой системе, модифицированной указанным раствором в пределах 12% по массе связующего, фаз д-Zn(OH)₂•0,5H₂O и в-Zn₂SiO₄. Также на дифрактограммах образцов на основе композиций, содержащих модификатор от 7% до 12% по массе связующего, не наблюдается рентгеновских линий, идентичных фазам цинковой соли Zn(C₂H₃O₂)₂•2H₂O. Данная фаза явно фиксируется на дифрактограммах образцов, содержащих модификатор в пределах от 13% до 15%. На данных дифрактограммах также отсутствуют рефлексы, указывающие на возможное присутствие фаз д-Zn(OH)₂•0,5H₂O и в-Zn₂SiO₄. Следовательно, ацетат цинка, введенный в силикатнатриевое связующее в виде 24%-ого водного раствора в пределах 12% по массе связующего, полностью подвергается щелочному гидролизу с образованием идентифицированных трудно и малорастворимых цинкосодержащих соединений.

Рисунок 1 - Дифрактограмма СНС , модифицированного ацетатом цинка в виде тонкодисперсного компонента, Т=110°С

Рисунок 2 - Дифрактограммы: а) СНС, модифицированного 24%-ым водным раствором ацетата цинка (10% по массе связующего); б) СНС, модифицированного 24%-ым водным раствором ацетата цинка (15% по массе связующего), T=110°С

Таким образом, модифицирование жидкого натриевого стекла водным раствором уксуснокислого цинка в установленных рациональных пределах позволяет повысить водостойкость композитов на 20-25% за счет полноценного химического взаимодействия, сопровождающегося образованием комплексных водонерастворимых соединений. Разработанные составы рекомендованы для получения строительных изделий различного назначения (теплоизоляционные, теплоизоляционно-конструкционные, конструкционные) с высокими функциональными и эксплуатационными характеристиками.

Библиографический список

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

2. Иващенко Ю.Г., Павлова И.Л., Кочергина М.П. Силикатнатриевые композиты, модифицированные цинкосодержащими соединениями. Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции «Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона» / СГТУ. - Саратов, 2014. - С. 44-48.

3. Иващенко Ю. Г., Тимохин Д. К., Страхов А. В., Евстигнеев С. А. Структурообразующие факторы вяжущих систем с минеральными наполнителями // Вестник Волжского регионального отделения : сб. науч. тр.. 2013. Вып. 16. С. 260-263

4. Иващенко Ю.Г., Фомина Н.Н., Полянский М.М. Получение и исследование порошкообразных связующих на основе вторичного полиэтилентерефталата // Журнал «Экология промышленного производства». 2016. № 1 (93). - С. 25-29.

5. Мелихов И.В., Меркулова М.С. Сокристаллизация. - М.: Химия, 1975. - 280 с.

6. Сидоров В.И., Малявский Н.И., Покидько Б.В. Получение эффективных водостойких утеплителей путем холодного вспенивания композиций жидкого стекла с некоторыми минеральными вяжущими. Изв. вузов. Строительство. 2003. № 11. - С. 55-60.

Размещено на Allbest.ru