Дипломная работа: Поиск оптимального содержания пигмента в покрытиях на основе алкидного лака ПФ-060

1.4 Искусственные силикаты

Наиболее древними искусственными силикатными материалами являются керамические, получаемые из глин и их смесей с различными минеральными добавками, обожженными до камневидного состояния [11].

Благодаря экономичности производства, высоким физико-механическим и художественно-декоративным качествам, керамические материалы широко используются как строительные и декоративные. Это кирпич, пустотелые блоки для стен, перегородок, перекрытий, облицовочные плитки, изразцы, терракотовые и майоликовые детали в архитектуре, канализационные и дренажные трубы.

Огнеупорная керамика используется в производстве металлов, цемента, стекла, для кладки высокотемпературных печей, футеровки их внутренних поверхностей.

Химически стойкие керамики заменяют или защищают металлы в производствах, связанных с агрессивными средами, например в химической промышленности.

Тонкая керамика включает в себя изделия из фарфора и фаянса. К ним относятся бытовая и химическая посуда, художественные изделия, изоляторы.

Примером искусственного силикатного материала является портландцемент [12], один из наиболее распространенных видов минеральных вяжущих веществ. Цемент используется для связывания строительных деталей при получении массивных строительных блоков, плит, труб и кирпича. Цемент является основой таких широко применяемых строительных материалов, как бетон, шлакобетон, железобетон. Цементным клинкером называется продукт обжига смеси глины и известняка, а цементом - мелкоизмельченный клинкер с минеральными добавками, регулирующими его свойства. Его вяжущие свойства обусловлены способностью цементных минералов взаимодействовать с H2O и SiO2 и при этом затвердевать, образуя прочную камневидную структуру. При схватывании цемента происходят сложные процессы: гидратация минералов с образованием гидросиликатов и гидроалюминатов, гидролиз, образование коллоидных растворов и их кристаллизация. Исследования процессов твердения цементного раствора и минералов цементного клинкера сыграли большую роль в становлении науки о силикатах и их технологии.

1.5 Строение силикатов

Установлено, что основным структурным звеном силикатов является атом кремния, окруженный четырьмя атомами кислорода, - кремнекислородный тетраэдр SiO4 [13]. Многообразие же силикатов объясняется разными способами соединения этих тетраэдров, которые обычно сочленяются вершинами с образованием связей Si-O-Si и Si-O-Al. Атомы кислорода, соединяющие тетраэдры, называются мостиковыми, а не соединяющие - немостиковыми. Различают следующие типы кремнекислородных радикалов:

1. ортосиликаты - соединения, в которых имеются изолированные кремнекислородные тетраэдры [SiO4]4 -, то есть все атомы кислорода немостиковые;

2. соединения с «островными» радикалами, такими, как [Si2O7]6 - (пиросиликатный ион, в котором два тетраэдра сочленяются вершинам), кольцевые радикалы, состоящие из трех [Si3O6]6 -, четырех [Si4O12]8 - и шести [Si6O18]12 - тетраэдров, в каждом из которых два атома кислорода используются для образования кольца, а два других - немостиковые;

3. соединения, построенные из изолированных [SiO3]2 - и сдвоенных [Si4O11]6 - бесконечных цепочек;

4. слоистые структуры, образованные радикалами [Si2O5]2 . К их числу относятся слюды и глины, содержащие в своей структуре группировки [Z4O10], где Z - Si и Al в четверной координации относительно кислорода. В слюдах слои состоят из шестичленных колец, построенных из алюмо- и кремнекислородных тетраэдров. Слоистых силикатов существует множество: слои могут быть построены из пяти- и шестичленных колец, состоять из чередующихся в определенном отношении восьми- и пятичленных колец, могут существовать слои, в которых кремнекислородный тетраэдр необязательно имеет три мостиковых атома кислорода, и другие;

5. каркасные структуры. Примером каркасных силикатов могут служить кремнезем и полевые шпаты. Полевые шпаты делятся на плагиоклазы (непрерывный ряд твердых растворов в системе альбит-анортит (NaAlSi3O8-CaAl2Si2O8)) и калиевый полевой шпат K[AlSi3O8] [14]. Их структура представляет собой бесконечный объемно-увязанный каркас из тетраэдров SiO4 и AlO4 , в пустотах которого расположены ионы Na, Ca, K. Сам же кремнезем - это вязь из кремнекислородных тетраэдров.

В структурах силикатов установлено значительное число различных типов цепочек, лент, сеток и каркасов из тетраэдров. По составу тетраэдрических радикалов различаются простые силикаты с кремнекислородным радикалом [SiO4]4- и сложные силикаты, в которых вместе с [SiO4]4- присутствуют тетраэдрические группы алюминия (алюмосиликаты), бериллия (бериллосиликаты), бора (боросиликаты), титана (титаносиликаты), циркония (цирконосиликаты), урана (ураносиликаты). Наряду с этим выделяются силикаты Al, Be, Ti, Zr, в которых эти элементы играют роль таких же катионов, как Mg, Fe и другие, соединяясь с кремнекислородными тетраэдрами не вершинами, а ребрами или через вершины, поделенные между двумя тетраэдрами.

Катионы, входящие в состав силикатов, разделяются на 2 группы: малые катионы — Mg2+, Al3+, Fe2+, Mn2+ и другие, частично Ca2+, имеющие обычно октаэдрическую координацию, и крупные катионы — К+, Na+, Ca2+, Ba2+, Sr2+, редкоземельных элементов, образующие соответственно более крупные координационные полиэдры: 8-, 9-, 12-вершинники, ребра которых соизмеримы уже с размерами не одиночных [SiO4]4- тетраэдров, а групп [Si2O7]6.

Для силикатов характерен изоморфизм, проявляющийся особенно широко среди катионов. Вследствие этого в силикатах распространены ряды твёрдых растворов (непрерывные или со значительными пределами замещений), а также изоморфные примеси [15]. Поэтому даже развёрнутые формулы силикатов, учитывающие основные изоморфные замещения, всё же являются неполными вследствие большой сложности состава реальных силикатов. Распределение изоморфных катионов в структуре силикатов зависит от температуры и устанавливается рентгенографически или по мессбауэровским и инфракрасным спектрам. Это свойство позволяет использовать силикаты в качестве геотермометра.

В составе силикатов отмечается разнообразие форм вхождения в их структуру водорода — в виде гидроксильных групп, кристаллизационной и цеолитной воды, межслоевой адсорбированной воды и других, изучаемых с помощью ядерного магнитного резонанса, термического анализа, инфракрасной спектроскопии. Во всех подклассах силикатов выделяются группы с добавочными анионами (O2-, F-, CI-, OH- S2-) и радикалами (SO42-, CO32-).

Дальнейшие усложнения в строении силикатов связаны с явлениями упорядочения (особенно Al — Si в алюмосиликатах и Mg — Fe в оливинах, пироксенах, амфиболах), политипии и смешаннослойных прорастаний (в слоистых силикатах), полиморфных превращений (например, андалузит — дистен — силлиманит), распада твёрдых растворов, образования электронно-дырочных центров.

Большинство силикатов в связи с их сложным строением имеет низкую симметрию [16]: около 45% кристаллизуется в моноклинной, 20% имеют ромбическую симметрию, 9% — триклинную, 7% — тетрагональную, 10% — тригональную и гексагональную и 9% — кубическую.

Весьма характерно двойникование (двойники роста, механических и фазовых превращений).

1.6 Свойства силикатов

1.6.1 Основные физические свойства [17]

Свойства силикатов определяются прежде всего типом кремнекислородного тетраэдра: спайность (несовершенная в островных и кольцевых силикатах, совершенная и зависящая от ориентировки кремнекислородных группировок в цепочечных, слоистых, каркасных силикатах); твёрдость обычно 5,5—7, кроме слоистых силикатов, в которых она понижается до 2—1; плотность около 2500—3500 кг/м3. Цвет большинства силикатов определяется ионами железа (Fe2+ — зелёный, Fe3+ — бурый, красный, жёлтый, Fe2+ и Fe3+ — синий), в отдельных группах — ионами Ti3+, V4+, Cr3+, Mn2+, Co2+, Ni2+, Cu2+ и их сочетаниями с ионами железа; в некоторых минералах — электронно-дырочными центрами. В ряде случаев окраска связана с микровключениями окрашенных минералов.

Большое значение для точной диагностики силикатов имеют их оптические свойства — преломление, оптическая ориентировка и другие, измеряемые с помощью Федорова столика, иммерсионного метода.

1.6.2 Противокоррозионные свойства

Композиция для получения антикоррозионного, огнестойкого и теплоизоляционного покрытия, включающая жидкое натриевое или калиевое стекло в качестве матрицы и наполнитель, отличается тем, что в качестве наполнителя содержит смесь полых микросфер, различающихся своими размерами в пределах от 10 до 500 мкм и насыпной плотностью в пределах от 650 до 50 кг/м3, выбранных в группы, включающие полые стеклянные микросферы, полые керамические микросферы, полые полимерные микросферы или их смеси, дополнительно содержит неионогенное ПАВ и при необходимости армирующий наполнитель в виде вспученного вермикулита или асбестовых нитей, а также двуокись титана [18].олых микросфер, различающихся своими размерами в пределах от 10 до 500 мкм и насыпной плотностью в пределах от 650 до 50 кг/м3,

Материал загрязняющимся антикоррозионным покрытием получают нанося на поверхность субстрата композицию на основе 10%-ого водного раствора силикатов, алюминатов, цирконатов щелочных металлов, содержащего частицы Al, Ti, Si, Zr, Zn, Ce, Sb, Sr, Fe, Cr, P, B, Co, Mn, Cu, Ag, Pt, Au, V, Ta, Biпрогревая его при 100-10000С в течение 5 – 60 секунд [19]. Материал используют при изготовлении шарикоподшипников.

Создан гибридный силоксановый полимер для получения противокоррозионных покрытий. Благодаря высокой устойчивости связи [-(Si-O)n-Si-] силоксаны обладают высокой термостабильностью и стойкостью к действию ультрафиолетового излучения. Реакционную способность и технологические свойства полисилоксановых полимеров можно целенаправленно регулировать изменением молекулярного веса, степени разветвленности органических заместителей и их функциональности. Применяя современные технологии, получены противокоррозионные покрытия на основе композиций силоксанов, эпоксидных олигомеров и аминофункциональных cиланов [20].