Важко знайти речовину, більш звичну, ніж цей в'язкий напівпрозорий розчин - найпоширеніший, хоча, точно, не самий найкращий клей для паперу. Не найкращий - тому, що утворена ним клейова плівка недостатньо еластична, і її колір швидше все-таки жовтий, ніж білий (а краще б вона була взагалі безколірною). А найбільш поширеним цей клей став
тому, що дешевше. Канцелярский силикатний клей - водяний розчин силікату натрію (Na2О•nSiО2) - широко використовується у всьому світі. Сировини - природних силікатів - скільки завгодно, спосіб виробництва - елементарний.
Ітак, водний розчин силікату натрію, званний в повсякденному режимі силікатним клеєм...
Що там в розчині силікату
В дуже розбавлених розчинах силікат натрію розпадається на катіони Na+ і мономерні аніони кремнієвої кислоти (SiO3)2-. В Концентрованих розчинах аніони знаходяться в вигляді полімерних ланцюгів, побудованих з традиційних для силікатів кремнекисневих тетраедрів. Між ними - гідроксили.
Густина і в'язкість цих розчинів сильно залежать від їх концентрації. В офісному клеї власне силікату натрію зазвичай буває від 35 до 40%, решта вода. Густина розчину в цих випадках коливається від 1,42 до 1,45 г/см3, а в'язкість - від 0,5 до 2 пуаз. При дальнішому збільшенні концентрації - через випаровування води, наприклад, - в'язкість клею швидко росте: при 45-50% -ній концентрації вона стає більше десятка пуаз.
Видаляючи воду з розчину силікату натрію, легко перетворити його в аморфне тверде тіло. Залишок води в нім виявляється хімічно пов'язаним. Будучи замороженим, силікатний клей після відтаювання повністю відновлює первинні властивості.
Затверділі розчини силиката натрію відрізняються високою стійкістю до дії концентрованих кислот. В концентрованій кислоті вони не тільки не втрачають міцність, але, навпроти, придбають додаткову. В розчинах же силікат натрію хімічно активний - реагує з більшістю неорганічних та органічних сполук. Під дією кислот, хлоридів та деяких інших речовин розчин силікату натрію перетворюється в силіоагель - найважливіший сорбент.
Із фізичних властивостей розчинів силиката натрію сама важлива для практики - це хороша адгезія майже до будь-яких поверхонь. Звідси клейова здатність силікатного клею. В силі адгезії - фізична природа. Відомо, що на поверхні твердих речовин молекули пов'язані в меншій мірі, ніж всередині. Коли на таку поверхню наносять силікатний клей, між ними виникають сили молекулярного зчеплення. Вода клею адсорбується на склеюваних поверхнях, через що щільність і в'язкість клеєвого шву різко підвищуються. Порушується рівновага частин, ланцюги кремнієвої кислоти видовжуються, ущільнюються, переплутуються, відбувається процес поліконденсації, і утворюється міцний адгезійний шов.
Чим швидше віддаляється вода (тонкіше плівка, вище температура), тим швидше твердіє клейовий шов, властивості якого визначаються властивостями утвореної при цьому полімерно-кремневої кислоти. Практично важливо, що під дією води полікристалітна кислота руйнується. Катиони натрію з клею, реагуючи з водою, утворюють луг, який і викликає деструкцію молекул полікремниевої кислоти. Через те клейовий шов розчину силікату натрію без спеціальних добавок виявляється неводостійким. Смисл додатків: пов'язати катіони натрію з клею та водою в нерозчинні комплексні сполуки. Добавок такого роду відомо багато: фосфати, фториди, оксиди та гідроксиди металів II і III груп, деякі органічні речовини.
Відходи - до того ж розчину
Не тільки в якості офісного клею цікаві для нас водні розчини силікату натрію. В ці розчини можна загнати величезний обсяг виробничих відходів - шлаків, шламів, золи та ін. Перетворюючи їх тим самим в інгредієнти різних корисних композицій, як тверді, так і рідкі.
Наприклад, композиція з рівних кількостях перемолотого доменного шлаку та розчину силікату натрію являє собою водяний клей для з'єднання великих елементів будівельних конструкцій.
Розчин силікату натрію здатний зв'язувати в єдиний моноліт часточки різноманітних неорганічних матеріалів. Якщо відходи, що містять силікати, алюмосилікати чи карбонати, ретельно подрібнити (до питомої поверхні 3000-4000 см2/г), а потім змішати з 10-25% -ним розчином силікату натрію, отримуєм моноліт, що досить швидко твердіє в природних умовах або при пропаруванні. Твердінню, крім поліконденсації, сприяє обмінна реакція між катіонами натрію із силікату та катіонами, що входять до складу відходів.
Аналогічні матеріали отримані з шлаків чорної та кольорової металургії, з відходів збагачувальних фабрик. Годяться і зола ГРЕС і ТЕЦ, і непридатний для землеробства грунт. Досить істотно, що зв'язувальне з таких відходів та розчину силікату натрію отримують при температурі в десятки разів нижчій, ніж температура утворення портландцементного клінкера. Відповідно, їх виготовлення вимагає багато менших енергозатрат. Надміцні бетони такого типу виготовлені з шлаків Запоріжського, Криворізького, Ново-Тульського, Чимкентського, Макієвського та інших металургійних заводів.
Бетон, в якому зв'язуючим служить не портландцемент, а в суті офісний клей, випускається на декількох заводах. Наприклад, залізобетонний завод об'єднання «Кривбассруда» виготовляє із цього матеріалу збірні силососховища, фундаменти, лотки водозбірників, тротуарні плити. З суміші пирітних огарків (80-90%) з розчином силікату натрію (10-20%) пропонується зробити будівельні панелі, що твердіють на повітрі.
Будівельну кераміку світлових тонів зазвичай отримують з білої глини, але її можна одержувати і з суміші суглинку, паливних шлаків, битого скла та - все того ж розчину силікату натрію...
Колишні відходи зберігають тепло
Теплоізоляційні матеріали промислового призначення часто роблять пористими, поскільки питома теплопровідність повітря невелика.
І тут стає в нагоді властивість в'язких розчинів силікату натрію при нагріванні до 200-300°С, зпінюватись, збільшуючись в об'ємі в 5-8 разів. До 90% утворених при цьому пустот - замкнуті. Спінення матеріалу відбувається через те, що вода не може вільно випаруватися з розчину внаслідок його високої в'язкості та утворенню густої кірки на поверхні.
Із суміші різноманітних промислових відходів (35-50%) з розчином силікату натрію (40-60%) отримують гранули діаметром до 10 мм, які сушать та одночасно спінюють при 250-300°С. Отримується легкий пористий матеріал, що відрізняється хорошими теплоізоляційними властивостями. Такі ж гранули можуть стати легким заповнювачем для бетонів, з яких формують штучні теплоізоляційні вироби. Тут приймаються і волокнисті відходи сільськогосподарського виробництва - стебла бавовника, очерет, жом цукрового очерету, а також деревна тирса та стружка. Органічні відходи можуть використовуватися як самостійно, так і в суміші з мінеральними. А зв'язуюче все те ж - силикат натрію.
Якщо ж в цьому зв'язуючому як наповнювач вводити вогнетривкі шлаки з виробництва ферросплавів, то можна отримати високотемпературні ізоляційні матеріали для промислових апаратів.
Технология - приблизно те ж, що і в виробництві будівельних бетонів на силікатному зв'язуючому. Отримані вироби ущільнюють з допомогою вібрації. Але навіть при цьому енергозатрати на виробництво такої теплоізоляції в кілька разів менше, ніж традиційної кераміки.
Пропонується декілька інших термостійких композицій з відходів - така, наприклад: залізохромний шлак (37%), кварцовий пісок (37%) і розчин силікату натрію (26%). Все це змішати, і суміш наносити на поверхню агрегату розпиленням. Така футеровка працює під навантаженням при температурі до 1270°С, витримуючи при цьому 35 температурних перепадів нагріву - охолодження.
Інші призначення силікату натрію
Багато апаратів хімічної промисловості роблять із кислотостійких матеріалів або використовують відповідні покриття. Як вже відомо, полікремниева кислота, що утворюється при затвердженні розчинів силікату натрію, стійка до дії концентрованих кислот. Значить ... Потрібно лише підібрати наповнювач, також стійкий до дії кислот і знайти спосіб зробити цю изоляцію непроникною для парів і рідин.
Ввели в масу, подібно описаному в попередньому розділі, полімерну добавку - менше одного відсотка суміші фурилового спирту з водорозчинною фенолрезольною смолою. Получили кислотостойкий полімербетон. У Воскресенці на виробничому об'єднанні «Міндобрива» вже працює бак, покритий зсередини такою композицією: у ньому готують 56% -ву сірчану кислоту. Бак працює під тиском і при досить високій температурі (до 150°С).
З розчинів силікату натрію, наповнених подрібненими відходами збагачувальных фабрик, прессують повітряно-проникні плити для станцій аерації, а також дренажні труби. У обох цих випадках колишні відходи служать справі охорони природи...
Життя грунтової дороги можна продовжити покриттям із суміші грунту (50-70%) з феррохромним шлаком (11 - 20%), золою (3-8%) та розчином силікату натрію (10-20%). Подібним же складом «склеюють» грунти - такі відходи стають ефективним засобом боротьби з оповзнем. Розчин вводять в укріплений грунт порціями в декілька прийомів. У цьому ж способі з суміші кварцевого порошку з розчином силікату натрію роблять форми для лиття в металургії. А дерева після обрізки захищають від знищення, наносячи на зріз той же силікатний розчин. Утворена плівка непроникна для грибків. Подібниым же способом можна продовжити життя будівельних конструкцій, дерев'яної тари, виробів з картону.
Ще раз про відходи і силікатний клей
Про силікат натрію можна повідати ще багато: про те, наприклад, що він входить до складу пральних порошків, або про роль виготовленого з нього силікагелю в сучасному каталізі. Але краще закінчити ці замітки важливою темою відходів, їх раціонального використання. Так як - розчин силікату натрію теж можна і потрібно отримувати з відходів. Для цього потрібна будь-яка сировина, в якій вміст SiO2 не менше 75-80%: кремнеземиста пилюка, поширений в багатьох місцях перліт, не дуже чистий річковий пісок і навіть зола, що утворюється при спалюванні рисової шелухи - у ній 91% SiO2.
Ці відходи, або, якщо хочете, сировину, обробляють розчином лугу при температурі 100-150°С і бажано під тиском - для інтенсифікації процесу. Луг може бути будь-який, наприклад поташна суміш, що утворюється як побічный продукт алюмінієвого виробництва, або відпрацьований щелок целюлозно-бумажних підприємств. Останній попередньо змішують з гарячою водою, а потім випарюють, щоб підвищити концентрацію.
Розчин силікату натрію, що утворюється в результаті обробки одних відходів іншими, може бути успішно використаний практично у всіх описуваних вище виробництв. А ще розчин силікату натрію утворюється як побічний продукт при отриманні титану та альбуміну. Цей розчин також може бути використаний з великою користю...
Про це хотілося повідати тому що в нашій країні розчини силікату натрію знають перш за все лише як канцелярський клей. А можливості його - куди більше.
