Область применения

1.7 Область применения

1.7.1 Силикатные краски [27]

Применение сложных эфиров кремния в качестве пленкообразователей основано на гидралитическом расщеплении связи Si – O. В конечном итоге гидролиз приводит к образованию диоксида кремния через промежуточные различные конденсированные кремниевые кислоты.

Производство красок включает смешение сложных эфиров с определенным количеством воды и растворителей, обычно спиртов, органических сложных эфиров или кетонов. Для полного гидролиза требуется 2 моля воды на 1 моль сложного эфира кремния. Введением кислоты, обычно соляной, создают низкое значение рН. Смесь подобного типа со степенью гидролиза 80-90 % и содержанием 20 % SiO2 стабильна в течение одного года. Уменьшение количества воды позволяет получать более инертные краски, требующие продолжительной сушки.

Способность жидкого стекла выступать в качестве пленкообразователя обусловлена поликонденсацией продуктами, протекающими в нем в присутствии СО2 или других агентов и приводящими к образованию трехмерных полимеров. Эти полимеры не растворимы в воде, обладают высокой механической прочностью, хорошей адгезией к бетону, штукатурке и другим материалам. Для приготовления силикатных красок обычно используют жидкое калиевое стекло К2О∙mSiO2∙nH2O, где m ≥ 3, n = 2-5, реже - жидкие стекла с катионами Na+, Li+, NH4+. Вид стекла и состав композиции определяют кроющую способность и другие свойства силикатных красок, а также их жизнеспособность – время, в течение которого силикатные краски пригодны к употреблению [28].

В алкилсиликатных красках можно использовать те же пигменты и наполнители, что и в водных лакокрасочных материалах. Такие пигменты, как диоксид титана, зеленый оксид хрома и наполнители – тальк, слюда или каолин, могут также положительно влиять на перерабатываемость и свойства красок. Для получения силикатных красок используют щелочестойкие и светостойкие пигменты и наполнители, чаще всего оксиды Zn, Fe, Al и Ti, гидроксиды и карбонаты этих металлов, металлические порошки (цинковая пыль, алюминиевая пудра). В случае применения цинковой пудры ЛКМ должны быть двухупаковочными, так как мелкоизмельченный цинк реагирует с соляной кислотой с образованием хлорида цинка, повышая тем самым рН. Это инициирует конденсацию, и краска затвердевает в течение нескольких часов.

Введение агентов, препятствующих оседанию пигментов, такие как бентониты или высокодисперсные кремниевые кислоты, в пленкообразователь может способствовать стабилизации пигментных дисперсий.

После нанесения ЛКМ происходит быстрое высыхание пленки за счет испарения спиртов и растворителей. Силанольные группы, образующиеся в результате реакции атмосферной влаги, конденсирующейся или реагируют с цинком или субстратом с образованием нерастворимой пространственной сетки SiO2. Полученные покрытия термо-, хим-, атмосферостойкие, устойчивые к старению и УФ-излучению. Их применяют главным образом как термостойкие и противокоррозионные покрытия. Отверждение силикатных красок может протекать под влиянием испарения воды, изменения температуры и рН среды, в присутствии активных пигментов и наполнителей или специальных ускорителей, так называемых силикатализаторов, например, карбоната магния, бората кальция или кальциевых силикатов, входящих в состав шлаков доменного производства.

С целью улучшения защитно-декоративных свойств покрытий (водостойкости, адгезии и другие) и увеличения жизнеспособности силикатных красок их модифицируют введением небольших количеств водных дисперсий полимеров.

1.7.2 Жидкие стекла

Объемы строительства в России требуют применения новых экологически чистых высокоэффективных отделочных материалов на основе недефицитных составляющих. Использование жидких силикатных вяжущих наиболее перспективное направление при решении этих задач.

Под силикатными вяжущими [29] понимают твердые водорастворимые стекловидные силикаты натрия и калия. Силикаты натрия и калия и их водные растворы (жидкие стекла) можно использовать по трем главным направлениям.

Первое направление связано с проявлением жидким стеклом вяжущих свойств, второе - использование в качестве клея, третье -основано на его химических свойствах, которые определяют целесообразность их применения в качестве моющих средств.

Под растворимыми стеклами понимают твердые водорастворимые стекловидные силикаты натрия и калия характеризующиеся определенным содержанием и соотношением оксидов M2O и SiO2, где М - это Na и К, а мольное соотношение SiO2 /M2O составляет 2,6-3,5 при содержании SiO2 69-76 масс. для натриевого стекла и 65-69 масс.% - для калиевого стекла.

Жидкие стекла характеризуются широким диапазоном составов, а, следовательно, и свойств. Специфической особенностью таких систем является то, что при непрерывном изменении химического состава по мере уменьшения щелочности от высокощелочных систем до золей кремнезема происходит изменение их свойств, связанное с принципиальными изменениями физико-химической природы растворов, в частности с появлением в системе высокополимерного кремнезема в коллоидной форме.

Жидкие стекла, выпускаемые промышленностью, представляют собой густые вязкие прозрачные жидкости без видимых механических включений и примесей. Жидкое стекло может быть бесцветным, однако, в большинстве случаев оно окрашено примесями в слабо-желтый или серый цвет.

Химический состав промышленного жидкого стекла определяется в основном составом исходных стекловидных щелочных силикатов.

Основным способом промышленного производства жидкого стекла является автоклавное растворение в воде щелочно-силикатных твердых стекол (растворимого стекла - силикат-глыбы) состава Na2O∙SiO2, K2O ∙n SiO2 и K2O∙Na2O∙SiO2 (дуплекс-процесс).

Второй способ получения жидких стекол включает прямое растворение кремнеземсодержащих компонентов в едких щелочах с получением требуемых щелочно-силикатньх растворов (жидких стекол) в один этап на одном технологическом переделе.

Кремнеземсодержащим компонентом для производства растворимых силикатов калия и натрия является кварцевый песок - тонкообломочная порода, состоящая преимущественно (> 96%) из зерен кварца с размером частиц 0,15-0,3 мм. Примесями кварца в песке являются минералы глин (каолинит, монтмориллонит и другие), щелочные алюмосиликаты (полевые шпаты, слюда), железосодержащие минералы, карбонатные примеси. Для производства силикат-глыбы вредными примесями в песке являются минералы, повышающие сверх установленных пределов содержание в щелочно-силикатном стекле таких компонентов химического состава как Al2O3, Fe2O3 , СаO. Ограничения по содержанию в стекле примесей связаны с их отрицательным влиянием на процессы растворения силикат-глыбы в воде при производстве жидкого стекла.

В настоящее время за рубежом жидкие стекла в качестве связующего используются рядом фирм для получения высококачественных лакокрасочных материалов [30].

Чаще всего используют высокомодульное калиевое стекло. Это объясняется большей водостойкостью покрытий, в отличие от их низкой водостойкости при использовании натриевого стекла.

В основном силикатные материалы можно условно разделить на 4 группы [31]:

1.  2-х компонентные, состоящие из сухих составляющих и жидкого стекла;

2.  чистые силикатные с незначительным сроком хранения;

3.  дисперсно-силикатные, содержащие до 5% дисперсий;

4.  2-х компонентные, состоящие из пигментной пасты с добавками и модифицированного жидкого стекла.

Двухкомпонентные силикатные краски с сухой пигментной частью давно применяются для отделки фасадов зданий. Однако из-за грубой дисперсности и необходимости доведения жидкого калиевого стекла до требуемой плотности непосредственно на объекте, качество красок не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к современным отделочньм материалам.

Главное достижение последних четырех десятилетий в области малярной отделки в строительстве - создание и повсеместный переход от традиционных лакокрасочных материалов на натуральных маслах и органических растворителях к водным (водоэмульсионным, латексным) краскам на синтетической основе.

В настоящее время ведутся работы по созданию рецептур силикатных красок нового поколения, где жидкое стекло является частью серии водорастворимых силикатов [32].

Эта серия включает как истинные, так и коллоидные водные растворы щелочных силикатов общей формулы R2O ∙ nSiO2 - оксид щелочных металлов или четвертичного аммония, а n находится в интервале от 2 до 100.

Помимо красок на основе силикатных вяжущих интерес представляют густые композиции, способные образовывать при нанесении валиками рельефные покрытия.

Заделку трещин на фасадах и подготовку поверхности под окраску можно производить шпатлевкой следующего состава: молотый мел, песок, просеянный сквозь сито с отверстиями диаметром 0,5 мм, жидкое калийное стекло [33].

Разработаны рецептуры новых силикатных красок для фасадов зданий с использованием недефицитного сырья - кальцита (известняка) - отхода производства извести. Известняк является одновременно cиликатизатором и наполнителем и может полностью или частично заменять мел, который обычно входит в состав фасадных силикатных красок.

Безавтоклавные кварцевые композиции на основе жидких стекол по праву относятся к наноматериалам. Производство изделий на таком связующем предполагает достаточно экономичную и простую в аппаратурном оформлении технологическую линию с использованием дешевого и доступного сырья. Такие строительные материалы не уступают по прочности цементным бетонам, значительно превосходя их по химической стойкости и огнеупорности. В отличие от органических полимерных связующих они негорючи и экологичны. Состав материала приближается к природным камням (кварциты, песчанники), что выгодно отличает его от цементного камня, который не имеет природных аналогов. На их основе можно производить высокодекоративные объемноокрашенные отделочные материалы и изделия разнообразной фактуры и цветовой гаммы, в том числе имитирующие натуральные камни [34].

Щелочные свойства [35] и способность выделять кремниевую кислоту обусловливают области применения растворимого стекла: текстильное и бумажное производство, в мыловарении и лакокрасочном деле. Жидкое стекло придает крепость и лоск штукатурке, цементам и другим материалам, содержащим известь, так как кальций придает стеклу нерастворимость в воде. Жидкое стекло используют для пропитки рыхлых грунтов с целью их упрочнения и закрепления. На основе растворимого стекла при добавлении наполнителей и модификаторов получают силикатный клей, который применяют для склеивания керамики, стекол, асбеста, металлов и других материалов.

С целью предохранения поверхности каменных зданий от преждевременного разрушения разработан способ ее флюатирования, т.е. обработки фторидными соединениями. Для этого используют MgSiF6 и ZnSiF6 [36]. В результате химической реакции ионы кальция, находящиеся на поверхности, превращаются в малорастворимый CaF2. Пленка этого соединения и выполняет защитную функцию. Поверхность железобетонных изделий флюотируют 3,5-7% раствором кислоты H2SiF6. Кроме того, для этой цели предложено также использовать сухой газообразный HF под давлением 4-6 атм. В результате образуется SiF4, который при взаимодействии с находящимся в бетоне Ca(OH)2 дает малорастворимый CaF2 и гель кремниевой кислоты, который также малорастворим. Они и выполняют защитную функцию бетона. Химическая стойкость бетона резко возрастает, особенно в агрессивных средах.