ЖИДКОСТЕКОЛЬНАЯ КОМПОЗИЦИЯ
LIQUID GLASS COMPOSITION

Предлагаемое изобретение относится к области производства строительных материалов, а именно к составам полимерсиликатных смесей, предназначенных для изготовления конструктивных элементов, работающих в условиях агрессивных сред.
Известна жидкостекольная композиция с добавкой ацетата натрия в виде водного раствора и содержащая в составе, вес.%: жидкое стекло - 28-30; гидрофобизирующую добавку - 1-2; вспученный легкий заполнитель - 65-70; ацетат натрия или уксусную кислоту - 1-3 (авторское свидетельство СССР №536152 «Композиция для получения теплоизоляционных изделий», М.кл. C04B 43/08, C04B 19/04, опубл. 12.01.1977 г.).
Недостатками известного состава являются отсутствие устойчивости к биологически агрессивным средам и недостаточная водостойкость. Кроме того, данный состав не содержит полимерной добавки, имеет другое функциональное назначение и не предназначен для использования в химически стойких изделиях.
Известна жидкостекольная композиция, предназначенная для изготовления биостойких строительных материалов и изделий (например, мастик, замазок, растворов, изделий ячеистой структуры) и не содержащая в составе полимерной добавки, при этом включающая, мас.%: жидкое стекло - 36,4-36,6; кремнефтористый натрий - 7,25-7,3; кварцевый песок - 54,5-54,9; поташ - 1,2-1,85 (патент RU №2285681 C2 «Силикатная смесь», МПК C04B 28/26, C04B 111/20, опубл. 20.10.2006 г.).
Известная сырьевая композиция обладает повышенными показателями биостойкости, однако недостатками являются низкие прочностные показатели, а так же относительно низкая кислото- и водостойкость.
12
14
Известна жидкостекольная композиция для изготовления облицовочно-декоративных и строительных изделий, включающая, масс.%: жидкое стекло - 10,5-15,5; кремнефтористый натрий - 1,6-2,5; полимерную добавку в виде ненасыщенной полиэфирной смолы на терефталевой основе - 0,6-1,3; ПАВ в виде полиоксиэтиленгликолевого эфира синтетических первичных высших спиртов фракции C-C - 0,1-0,25; наполнитель в виде пылевидного кварца (маршалит) - 24,5-25,5 и комплексный заполнитель в виде кварцевого песка и щебня различных пород - остальное (патент RU №2386600 C1 «Полимерсиликатбетонная смесь для изготовления облицовочно-декоративных и строительных изделий», МПК C04B 28/26, C04B 111/20, опубл. 20.04.2010 г.).
Данная сырьевая композиция характеризуется кислотостойкостью, имеет повышенные показатели водостойкости, однако недостатками являются относительно низкая фунгицидная активность и относительно низкие показатели предела прочности на сжатие.
Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является жидкостекольная композиция, принятая за прототип и содержащая в качестве полимерной добавки 20-50%-ный раствор полистирола в органическом растворителе, причем указанный раствор используют в виде эмульсии, полученной путем смешивания его с жидким стеклом, при следующем соотношении компонентов смеси, мас.%: жидкое стекло - 14,0-16,0; кремнефтористый натрий - 1,4-1,6; кварцевый наполнитель - 22,5-24,5; полистирол - 0,1-0,7; кварцевый песок - 57,3-62,0 (патент RU №2245861 C2 «Жидкостекольная композиция», МПК C04B 28/26, C04B 111/20, опубл. 10.02.2005 г.).
Данная сырьевая композиция является кислотостойкой, имеет повышенные прочностные показатели. Недостатками известной композиции являются относительно низкая водостойкость и низкая фунгицидная активность.
Задачей изобретения является повышение эксплуатационных характеристик конструктивных элементов, изготовленных на основе полимерсиликатных смесей и работающих в условиях агрессивных сред.
Техническим результатом изобретения является повышение водостойкости и биостойкости полимерсиликатного композита при сохранении повышенных прочностных характеристик.
Технический результат достигается тем, что композиция, включающая жидкое стекло, кремнефтористый натрий, кварцевый наполнитель, кварцевый песок и раствор полистирола в органическом растворителе, используемом в виде эмульсии, полученной смешением с жидким стеклом, которая содержит 20-30%-ный раствор полистирола в неполярном органическом растворителе, имеющем показатель диэлектрической проницаемости 2,1-2,7, и указанная эмульсия дополнительно смешана с 20-28%-ным водным раствором ацетата цинка, при следующем соотношении компонентов смеси, мас. %:
Жидкое стекло - 14,8-15,2;
Кремнефтористый натрий - 1,48-1,52;
Кварцевый наполнитель - 23,3-23,9;
Полистирол - 0,39-0,41;
Кварцевый песок - 57,4-59,6;
Водный раствор ацетата цинка - 0,43-1,57.
Введенный в полимерсиликатную смесь ацетат цинка (представляющий собой водорастворимую цинковую соль уксусной кислоты, образованную слабым основанием и слабой кислотой) в виде водного раствора влияет на процессы структурообразования и оказывает полифункциональное воздействие на свойства композита.
В первую очередь, водный раствор ацетата цинка как добавка инициирует процесс отверждения за счет выделения геля кремневой кислоты с образованием в конечной стадии труднорастворимого диоксида кремния, а также, являясь поставщиком катионов цинка в систему, выступает в качестве модификатора, который при химическом взаимодействии с жидкостекольным связующим образует труднорастворимые в воде соединения, что в комплексе обеспечивает формирование водонерастворимого полимерсиликатного композита. При этом уксусная кислота, содержащаяся в данном химическом соединении, являясь слабой кислотой, при взаимодействии с жидким стеклом в меньшей степени вызывает спонтанную коагуляцию, что позволяет достигнуть необходимой концентрации катионов цинка в композиции при сохранении однородности смеси, обеспечивая тем самым образование комплексных соединений, повышающих водостойкость композита и сохранение его прочностных характеристик.
Кроме этого, ацетат цинка в предлагаемой композиции выполняет роль биоцида, придающего полимерсиликатному композиту фунгицидные свойства.
3
2
уд
Для получения жидкостекольной композиции использовались следующие сырьевые материалы: жидкое натриевое стекло с плотностью 1,38 г/см и силикатным модулем 2,7 (ГОСТ 13078-81 «Стекло натриевое жидкое. Технические условия»); кремнефтористый натрий ((Ч) ТУ 6-09-05807960-114-94); полистирол (ТУ 2214-126-05766801-2003); растворители для полистирола: сольвент (ГОСТ 10214-78 «Сольвент нефтяной. Технические условия»), толуол (ГОСТ 5789-78 «Реактивы. Толуол. Технические условия»), ксилол (ГОСТ 9410-78 «Ксилол нефтяной. Технические условия»), декагидронафталин (ТУ 2415-289-05742746-95), изопропилбензол (ГОСТ 20491-75 «Изопропилбензол технический. Технические условия»); кварцевый песок (0,65-2,5 мм); кварцевый наполнитель (S=500 м/кг); дигидрат ацетата цинка (ГОСТ 5823-78 «Реактивы. Цинк уксуснокислый 2-водный. Технические условия» (с изм. 1, 2.)); вода (ГОСТ 23732-2011 «Вода для бетонов и строительных растворов. Технические условия»).
Добавка ацетата цинка вводится в композицию в виде водного раствора с целью ее равномерного распределения в жидкостекольном связующем и полноценного химического взаимодействия. Для получения водного раствора ацетата цинка использовался дигидрат ацетата цинка, представляющий собой тонкодисперсный порошок. Раствор получают путем смешивания известного количества дигидрата ацетата цинка и воды комнатной температуры. Дигидрат ацетата цинка хорошо растворяется в воде и частично гидролизуется с образованием гидроксида цинка и уксусной кислоты. Для получения однородной смеси и повышения физико-механических характеристик композита оптимальной является концентрация водного раствора ацетата цинка 20-28%. При выходе значений за минимальный предел концентрации ≤19% необходимый эффект не достигается: значение показателя водостойкости составляет менее 0,8 и композит не обладает фунгицидными свойствами. Увеличение концентрации раствора ацетата цинка ≥29% является нецелесообразным, в связи с тем, что для получения концентраций раствора ацетата цинка выше 28% необходимо принимать дополнительные меры по увеличению растворимости дигидрата ацетата цинка в воде, которые в свою очередь сопровождаются энергетическими и материальными затратами. Кроме этого при увеличении концентрации раствора ацетата цинка от 29% до 35%, показатель водостойкости повышается не значительно (на 5-9%). При дальнейшем увеличении концентрации раствора ацетата цинка до 45% наблюдается выраженная коагуляция жидкого стекла, даже при минимальном количестве введенного водного раствора ацетата цинка в композицию, что приводит к значительному снижению (на 20-50%) показателей прочности и водостойкости композита.
В качестве полистирола может быть использован непосредственно полистирол (ПС) и/или сополимер стирола с каучуком (ударопрочный полистирол (УПС)). Так же возможно использование некондиционного ПС и/или УПС. Предлагаемая композиция содержит 20-30% раствор полистирола в органическом растворителе, что обосновано достижением максимальных значений предела прочности на сжатие, а так же сохранением однородности смеси. Причем для получения раствора полистирола используются неполярные органические растворители, показатель диэлектрической проницаемости которых находится в пределах значений ε=2,1-2,7 (сольвент, декагидронафталин, толуол, изопропилбензол, ксилол). При использовании растворителей с показателем диэлектрической проницаемости, выходящим за указанные пределы значений, ухудшается растворимость полистирола, показатель диэлектрической проницаемости которого находится в пределах значений ε=2,4-2,7 (в зависимости от его вида: ПС или УПС), вследствие чего не достигается необходимая концентрация полистирола в растворе. В связи с чем, при использовании в качестве растворителя сольвента (ε=2,15) оптимальным является 20%-ный раствор полистирола, при использовании декагидронафталина (ε=2,18) оптимальным является 22%-ный раствор полистирола, при использовании толуола (ε=2,37) оптимальным является 26%-ный раствор полистирола, при использовании изопропилбензола (ε=2,38) оптимальным является 28%-ный раствор полистирола, при использовании ксилола (ε=2,56) оптимальным является 30%-ный раствор полистирола. Кроме того, содержание полистирола в предлагаемых составах в количестве 0,28-0,41% по массе является оптимальным для получения повышенных прочностных показателей.
Жидкостекольную композицию готовят следующим образом. На начальном этапе подготавливается раствор полистирола в органическом растворителе и водный раствор ацетата цинка. Затем готовится эмульсия путем последовательного смешивания жидкого стекла с раствором полистирола и раствором ацетата цинка при частоте вращения барабана смесителя 3000 об/мин в течение 3-4 мин. Затем полученная эмульсия в течение 1,0-1,5 мин смешивается с предварительно подготовленной сухой смесью кремнефтористого натрия и кварцевого наполнителя. После чего в смесь добавляют кварцевый песок и производят перемешивание в течение 1,5-2,0 мин с частотой 250-400 об/мин. Аналогично прототипу полученная смесь укладывается в формы с последующим уплотнением на виброплощадке с амплитудой А=0,35 мм и частотой 2800 об/мин в течение 60-75 с. Для ускорения набора прочности рекомендуется выдержка изделий при температуре 60-80°C в течение 2 часов.
В таблице 1 приведены примеры составов, при этом следует отметить, что независимо от используемой концентрации водного раствора ацетата цинка (20-28%) в каждом составе соотношение компонентов остается неизменным. Оптимальное соотношение компонентов составляет, мас. %:
жидкое стекло - 14,8-15,2; кремнефтористый натрий - 1,48-1,52; кварцевый наполнитель - 23,3-23,9; полистирол - 0,39-0,41; кварцевый песок - 57,4-59,6; водный раствор ацетата цинка с концентрацией 20-28% - 0,43-1,57.
В таблице 2 и таблице 3 приведены соответственно показатели физико-механических параметров и результаты испытаний составов на грибостойкость и фунгицидные свойства, анализ которых показывает, что оптимальное содержание добавки - ацетата цинка в виде водного раствора в композиции составляет 0,43-1,57% по массе. Так, при уменьшении содержания добавки в композиции относительно указанного предела значений, несмотря на повышенный показатель водостойкости, композит не обладает фунгицидными свойствами, а превышение содержания добавки относительно указанного предела значений, несмотря на сохранение фунгицидных свойств, ухудшает все физико-механические параметры композита.
Испытания физико-механических параметров композитов проводились в соответствии с ГОСТ 25881-83, ГОСТ 12730.1-78, ГОСТ 10180-2011. Испытание на грибостойкость и фунгицидные свойства проводились в соответствии с ГОСТ 9049-91. Виды грибов, используемые при проведении испытаний: Aspergillus niger van Tieghem, Aspergillus terreus Thorn, Aspergillus oryzae (Ahlburg) Cohn, Chaetomium globosum Kunze, Paecilomyces varioti Bainier, Penicillium funiculosuin Thorn, Penicillium chrysogenum Thorn, Penicillium cyclopium Westllng, Trichoderma viride Pens, ex Fr.
Таким образом, по сравнению с прототипом полимерсиликатный композит, изготовленный на основе предлагаемой жидкостекольной композиции с добавкой ацетата цинка в виде водного раствора, при сохранении повышенных прочностных характеристик, обеспеченных добавкой полистирола, обладает коэффициентом водостойкости 0,82-0,89 (что превышает на 15-20% коэффициент водостойкости прототипа), а также фунгицидными свойствами. Данное изобретение позволяет расширить область применения конструктивных элементов на основе жидкостекольных композиций, повысить их долговечность.
Изобретение может быть использовано на предприятиях строительной, химической, металлургической, нефтехимической, энергетической индустрии.