НАНОСТРУКТУРИРУЮЩЕЕ СВЯЗУЮЩЕЕ ДЛЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
NANOSTRUCTURING BINDER FOR COMPOSITE CONSTRUCTION MATERIALS

Изобретение относится к строительным материалам, используемым для изготовления кислотостойких бетонов, замазок, шпатлевок и других, а именно к составам на основе жидкого стекла.
Для повышения прочности, термо- и огнестойкости строительных материалов и конструкций из них в состав связующего вводятся тетрафурфуриловые сложные эфиры ортокремниевой кислоты (тетрафурфурилоксисиланы - ТФС). Причем тетрафурфурилоксисиланы синтезированы путем переэтерификации тетраэтоксисилана фурфуриловым спиртом.
Состав связующего содержит, мас.%: жидкое стекло - 80-95, тетрафурфурилоксисилан (ТФС) - 2-7, отвердитель - кремнийфтористый натрий 13. При этом как часть жидкого стекла используется органическое щелочное жидкое стекло, где в качестве органического катиона берется 8-диазабициклоундецен-7 или 1,5-диазабициклононен-5 - 2-4.
Известен состав связующей композиции для смесей (А.с. №2008998, кл. В22С 1/22), содержащий следующие компоненты, мас.%:
кислотоотверждаемая эпоксидная смола - 23-72;
продукт взаимодействия этиловых эфиров ортокремниевой кислоты с фурфуриловым спиртом (в пересчете на основное вещество) - 8-52;
органический пероксид или (и) гидропероксид - остальное.
Однако такая композиция применима только в литейном производстве, а именно к составам смесей, отверждаемых продувкой сернистым ангидритом, при изготовлении стержней и форм, требует специального оборудования для получения смеси.
Цель изобретения - повышение кислотостойкости, влагостойкости и прочности строительных материалов и расширение области их применения.
Применение растворимых силикатов натрия (жидких стекол) объясняется широким использованием их как связующих компонентов для изготовления жаропрочных, химически стойких материалов. Жидкие стекла проявляют высокую когезионную прочность, легки и безопасны, имеют низкую стоимость, не коррозируют, не испаряют пожароопасных летучих компонентов и не ухудшают окружающую среду в процессе эксплуатации.
Растворимый в воде силикат, содержащий органический щелочной катион, получают взаимодействием солей четверичного органического производного аммония с аморфным кремнеземом. Растворимые органические щелочные силикаты как, например, силикат тетрабутиламмония (ТБАС) используют как компонент для самозатухания связующего.
2
Введение в связующее наноструктурирующего компонента - тетрафурфурилового сложного эфира ортокремниевой кислоты (ТФС) приводит к образованию наночастиц SiO, которые действуют как центры кристаллизации и зародышеобразования, и фурфурилового спирта, который заполняет кремнекислую матрицу и формирует сетчатый полимер. Добавление ТФС увеличивает механическую и химическую стойкость связующего и широко используется для подготовки кислотоупорных бетонов и шпатлевок (Антикоррозионная служба предприятий: Справ. изд. - Степанов И.А., Савельева Н.Я., Фиговский О.Л. М.: Металлургия, 1987, с.91-92).
Характеристика используемых в связующем компонентов:
2
2
стекло натриевое жидкое марки К с массовым соотношением SiO/NaO=2,88 (ГОСТ 13078-81);
2
6
отвердитель - натрий кремнийфтористый NaSiF (ГОСТ 6-09-1461-85) ч.д.а.;
2
5
5
4
наноструктурирующая добавка Si(OCH) - продукты взаимодействия этиловых эфиров ортокремниевой кислоты с фурфуриловым спиртом (ТУ 59-020-04);
2
5
4
2
в качестве этиловых эфиров ортокремниевой кислоты использовался тетраэтоксисилан (CHO)Si (ТУ-6-02-708-76) с содержанием SiO в пересчете на диоксид кремния 60 мас.%.
Взаимодействием тетраэтоксисилана с полным или частичным замещением его этоксигрупп фурфурилоксигруппами фурфурилового спирта получают тетрафурфурилоксисиланы (ТФС). В настоящее время тетрафурфурилоксисиланы получены в виде опытно-промышленных образцов.
2
Растворимый в воде силикат с органическими катионами типа 1,8-диазабициклоундецена-7 и 1,5-диазабициклононена-5 производит фирма Polymate, Ltd (Израиль) под торговыми названиями DBUS и DBNS соответственно. Соотношение SiO/органическое основание для DBUS составляет 1,65:1 и для DBNS 2,0:1 соответственно.
Содержание силикатов в жидких стеклах составляет, мас.%: жидкое стекло - силикат натрия марки К - 57,3; растворимый в воде силикат под торговым названием DBUS - 63,8; растворимый в воде силикат под торговым названием DNNS - 62,3.
Предлагаемое наноструктурирующее связующее получают ламинарным смешиванием жидкого стекла, содержащего катионы щелочных металлов типа Na; тетрафурфурилового сложного эфира ортокремневой кислоты (ТФС) и растворимого в воде силиката, содержащего органический щелочной катион типа 1,8-диазабициклоундецена-7 или 1,5-диазабициклононена - 5 в следующем соотношении, мас.%:
жидкое стекло - 80-95;
тетрафурфуриловый сложный эфир ортокремневой кислоты (ТФС) - 2-7;
растворимый в воде силикат, содержащий органический щелочной катион - 2-4.
После смешивания всех компонентов связующего его необходимо использовать в течение 2-3 часов. Добавление отвердителя осуществляется совместно с тонкомолотым минеральным наполнителем.
К испытанию были подготовлены следующие составы связующего, мас.%:
Состав 1:
жидкое стекло - 95;
тетрафурфурилоксисилан (ТФС) - 3;
растворимый в воде силикат под торговым названием DBUS - 2.
Состав 2:
жидкое стекло - 88;
тетрафурфурилоксисилан (ТФС) - 8;
растворимый в воде силикат под торговым названием DBUS - 4.
Состав 3:
жидкое стекло - 92;
тетрафурфурилоксисилан (ТФС) - 5;
растворимый в воде силикат под торговым названием DNNS - 3.
Состав 4:
жидкое стекло - 88;
тетрафурфурилоксисилан (ТФС) - 8;
растворимый в воде силикат под торговым названием DBUS - 4.
Для экспериментальной проверки свойств предлагаемого связующего были изготовлены различные строительные материалы: кислотостойкий бетон, кислотостойкие замазки и шпатлевки.
Кислотоупорные бетоны были подготовлены смешиванием компонентов в следующих пропорциях (см. таблицу 1). Испытания силикатных бетонов, приведенных в таблице 1, представлены в таблице 2.
Данные таблицы 2 показывают, что предел прочности при сжатии бетонов увеличивается на 30%, а водопроницаемость уменьшается более чем в 15 раз. Бетоны на жидком стекле без добавки ТФС имели предел прочности при сжатии менее 27,0 МПа.
Кислотостойкие замазки и шпатлевки были приготовлены смешиванием компонентов (см. таблица 3). Результаты испытаний замазок и шпатлевок представлены в таблице 4. Результаты испытаний показывают, что использование шпатлевки с наноструктурирующим связующим увеличивает адгезионную прочность на 50%.
Таблица 1
Наименование компонентов бетонных смесей
Содержание, мас.%
Бетон №1
Бетон №2
Бетон №3, без добавки DNNS
Бетон №4, без добавки DBUS
Связующее, состав 3
13,4
-
13,4
-
Связующее, состав 1
-
13,2
-
13,2
Кремнекислый натрий (Sуд - 2700 см<sup>2</sup>/г)
1,8
1,7
1,8
1,7
Порошок диабаза (Sуд - 3000 см<sup>2</sup>/г)
18,0
18,0
18,0
18,0
Кварцевый песок (Мкр - 2,4)
28,0
28,0
28,0
28,0
Гранитный щебень
38,8
39,1
38,8
39,1
Таблица 2
Свойства
Предлагаемые бетоны
Бетон №1
Бетон №2
Бетон №3, без добавки DNNS
Бетон №4, без добавки DBUS
Предел прочности при сжатии, МПа
49,2
48,7
37,1
35,4
Водопроницаемость, диффузия, 10<sup>-7</sup> см<sup>2</sup>/г
После 7 дней
0,42
0,48
8,77
8,96
После 30 дней
0,14
0,16
6,31
6,44
Коэффициент кислотоупорности после 360 дней в
5% HCl
1,03
1,02
0,97
0,93
20% HCl
1,12
1,07
0,96
0,91
5% H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>
1,06
1,05
0,93
0,94
20% H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>
1,17
1,18
0,92
0,90
Таблица 3
Наименование компонентов шпатлевочных смесей
Содержание, мас.%
Шпатлевка №1
Шпатлевка №2
Шпатлевка №3, без добавки DBUS
Шпатлевка №4, без добавки DBUS
Связующее, состав 2
41,0
-
41,0
-
Связующее, состав 4
-
34,0
-
34,0
Кремнекислый натрий (Sуд - 2700 см<sup>2</sup>/г)
6,0
6,2
6,0
6,2
Порошок диабаза (Sуд - 3000 м<sup>2</sup>/г)
53,0
-
53,0
-
Порошок андезита (Sуд - 2600 см<sup>2</sup>/г)
-
59,8
-
59,8
Таблица 4
Свойства
Предлагаемые шпатлевки
Шпатлевка №1
Шпатлевка №2
Шпатлевка №3, без добавки DBUS
Шпатлевка №4, без добавки DBUS
Сила сдвига (ASTMD1002-05)
Керамика - сталь, МПа
1,54
1,48
0,92
0,95
Керамика - керамика, МПа
1,90
1,94
1,18
1,22
Адгезионная прочность на растяжение, МПа
Керамика - сталь
0,98
1,04
0,47
0,51
Керамика - керамика
1,27
1,30
0,55
0,54