Силикат натрия - Sodium silicate

Промышленный твердый силикат калия-натрия.jpg

Силикат натрия - это общее название химических соединений с формулой Na
2 х
Si
у
О
2 y + x
или (Na
2
O)
Икс
· (SiO
2
)
у
, например метасиликат натрия Na
2
SiO
3
, ортосиликат натрия Na
4
SiO
4
, и пиросиликат натрия Na
6
Si
2
О
7
. Анионы часто бывают полимерными . Эти соединения обычно представляют собой бесцветные прозрачные твердые вещества или белые порошки, растворимые в воде в различных количествах.

Силикат натрия также техническое и общее название для смеси таких соединений, главным образом , метасиликат, называемый также жидкое стекло , жидкого стекла , или жидкое стекло . Продукт имеет широкий спектр применения, включая составы цементов , пассивную противопожарную защиту , обработку текстиля и пиломатериалов, производство огнеупорной керамики, в качестве адгезивов и производство силикагеля . Коммерческий продукт, доступный в водном растворе или в твердой форме, часто бывает зеленоватым или синим из-за присутствия железосодержащих примесей.

В промышленности различные марки силиката натрия характеризуются их массовым соотношением SiO 2 : Na 2 O (которое может быть преобразовано в молярное соотношение путем умножения на 1,032). Соотношение может варьироваться от 1: 2 до 3,75: 1. Марки с соотношением ниже 2,85: 1 называются щелочными. Те, у кого соотношение SiO 2 : Na 2 O выше, описываются как нейтральные.

История

Растворимые силикаты щелочных металлов (натрия или калия ) наблюдались европейскими алхимиками еще в 1500-х годах. Джамбаттист делла Порта наблюдался в 1567 году , что Tartari САЛИСА (крем зубного камня, калий тартрат водорода ) вызвал порошкообразный crystallum (кварц) , чтобы расплавить при более низкой температуре. Другие возможные ранние ссылки на силикаты щелочных металлов были сделаны Василием Валентином в 1520 году и Агриколой в 1550 году. Около 1640 года Жан Баптист ван Гельмонт сообщил об образовании силикатов щелочных металлов как растворимого вещества, полученного путем плавления песка с избытком щелочи, и заметил, что диоксид кремния может быть осажден количественно путем добавления кислоты в раствор .

В 1646 году Глаубер создал силикат калия , который он назвал щелочным кремнием , расплавив карбонат калия (полученный кальцинированием винного камня) и песок в тигле и поддерживая его в расплавленном состоянии до тех пор, пока он не перестанет пузыриться (из-за выделения углекислого газа ). Смеси давали остыть, а затем измельчали ​​до мелкого порошка. Когда порошок подвергался воздействию влажного воздуха, он постепенно образовывал вязкую жидкость, которую Глаубер назвал « Oleum oder Liquor Silicum, Arenæ, vel Crystallorum » (т.е. масло или раствор кремнезема, песка или кристалла кварца).

Однако позже утверждалось, что вещества, приготовленные этими алхимиками, не были жидким стеклом, как это понимается сегодня. Его приготовил в 1818 году Иоганн Непомук фон Фукс путем обработки кремниевой кислоты щелочью; в результате растворяется в воде, «но не подвержен атмосферным изменениям».

Термины «жидкое стекло» и «растворимое стекло» использовали Леопольд Вольф в 1846 году, Эмиль Копп в 1857 году и Герман Кретцер в 1887 году.

В 1892 году Рудольф фон Вагнер выделил соду , поташ , двойной (сода и поташ) и фиксирующий (то есть стабилизирующий) тип жидкого стекла. Тип крепления представлял собой «смесь диоксида кремния, хорошо пропитанного калийным жидким стеклом и силикатом натрия», который использовался для стабилизации неорганических акварельных пигментов на цементных покрытиях для наружных вывесок и фресок.

Характеристики

Силикаты натрия представляют собой бесцветные стекловидные или кристаллические твердые вещества или белые порошки. За исключением наиболее богатых кремнием, они хорошо растворяются в воде, образуя щелочные растворы.

Силикаты натрия устойчивы в нейтральных и щелочных растворах. В кислых растворах ионы силиката реагируют с ионами водорода с образованием кремниевых кислот , которые имеют тенденцию разлагаться на гель гидратированного диоксида кремния . При нагревании для удаления воды получается твердое полупрозрачное вещество, называемое силикагелем , широко используемое в качестве осушителя . Он выдерживает температуру до 1100 ° C.

Производство

Растворы силикатов натрия могут быть получены обработкой смеси диоксида кремния (обычно в виде кварцевого песка ), каустической соды и воды горячим паром в реакторе . Общая реакция

2 х NaOH + SiO
2
(Na
2
O)
Икс
· SiO
2
+ x H
2
О

Силикаты натрия также можно получить растворением кремнезема SiO
2
(чья температура плавления составляет 1713 ° C) в расплавленном карбонате натрия (который плавится с разложением при 851 ° C):

x Na
2
CO
3
+ SiO
2
(Na
2
O)
Икс
· SiO
2
+ CO
2

Материал может быть также получен из сульфата натрия (точка плавления 884 ° C) с использованием углерода в качестве восстановителя:

2 х Na
2
ТАК
4
+ C + 2 SiO
2
→ 2 (Na
2
O)
Икс
· SiO
2
+ 2 СО
2
+ CO
2

В 1990 году было произведено 4 миллиона тонн силикатов щелочных металлов.

Использует

Основное применение силикатов натрия - это моющие средства, бумага, обработка воды и строительные материалы.

Инженерное дело

Клей

Наибольшее применение растворов силиката натрия - это цемент для производства картона. При использовании в качестве бумажного цемента соединение из силиката натрия в конечном итоге имеет тенденцию к растрескиванию в течение нескольких лет, после чего он больше не удерживает склеенные вместе бумажные поверхности.

Растворы силиката натрия также можно использовать в качестве прикручиваемого адгезионного слоя для соединения стекла со стеклом или кремниевых пластин, покрытых оксидом кремния, друг с другом. Соединение силикатно-натриевого стекла со стеклом имеет то преимущество, что это метод низкотемпературного соединения, в отличие от соединения плавлением. Это также менее интенсивно обрабатывается, чем анодное соединение стекла со стеклом, которое требует, чтобы промежуточный слой, такой как SiN, действовал как диффузионный барьер для ионов натрия. Для нанесения такого слоя требуется стадия химического осаждения из паровой фазы при низком давлении. Однако недостатком связывания из силиката натрия является то, что очень трудно удалить пузырьки воздуха. Частично это связано с тем, что этот метод склеивания не требует склеивания в вакууме, а также не требует помощи в полевых условиях, как при анодном склеивании. Хотя это отсутствие полевой помощи иногда может быть полезным, потому что полевое содействие может обеспечить такое сильное притяжение между пластинами, что более тонкая пластина изогнется и схлопнется на наножидкостную полость или элементы МЭМС.

Буровые растворы

Силикат натрия часто используется в буровых растворах для стабилизации стенок ствола скважины и предотвращения их обрушения. Это особенно полезно, когда буровые скважины проходят через глинистые образования, содержащие набухающие глинистые минералы, такие как смектит или монтмориллонит .

Обработка бетона и кирпичной кладки

Бетон, обработанный раствором силиката натрия, помогает уменьшить пористость большинства кладочных материалов, таких как бетон , штукатурка и штукатурка . Этот эффект помогает уменьшить проникновение воды, но не имеет известного влияния на снижение передачи и выброса водяного пара. Происходит химическая реакция с избытком Ca (OH) 2 ( портландита ), присутствующим в бетоне, который надолго связывает силикаты с поверхностью, делая их более прочными и водоотталкивающими. Это лечение обычно применяется только после первоначального излечения (около 7 дней в зависимости от условий). Эти покрытия известны как силикатно-минеральные краски . Ниже приводится пример реакции силиката натрия с гидроксидом кальция, содержащимся в бетоне, с образованием геля гидрата силиката кальция (или CSH), основного продукта в гидратированном портландцементе.

Na
2
SiO
3
+ y H
2
О
+ х Са (ОН)
2
x CaO.SiO
2
.y H
2
O
+ 2NaOH

Вспомогательные моющие средства

Он используется во вспомогательных моющих средствах, таких как сложный дисиликат натрия и модифицированный дисиликат натрия. Гранулы моющего средства приобретают прочность благодаря покрытию из силикатов.

Очистка воды

Силикат натрия используется в качестве коагулянта квасцов и флокулянта железа на очистных сооружениях. Силикат натрия связывается с коллоидными молекулами, создавая более крупные агрегаты, которые опускаются на дно водяного столба. Микроскопические отрицательно заряженные частицы, взвешенные в воде, взаимодействуют с силикатом натрия. Их двойной электрический слой разрушается из-за увеличения ионной силы, вызванного добавлением силиката натрия (дважды отрицательно заряженный анион, сопровождаемый двумя катионами натрия), и впоследствии они объединяются. Этот процесс называется коагуляцией .

Огнеупорное использование

Жидкое стекло является полезным связующим для твердых веществ, таких как вермикулит и перлит . При смешивании с вышеупомянутыми легкими заполнителями жидкое стекло может быть использовано для изготовления жестких высокотемпературных изоляционных плит, используемых для огнеупоров, пассивной противопожарной защиты и высокотемпературной изоляции, например, для изоляции формованных труб. При смешивании с мелкодисперсными минеральными порошками, такими как вермикулитная пыль (которая является обычным отходом процесса расслоения), можно получить высокотемпературные клеи. Вспучивание исчезает в присутствии мелкодисперсной минеральной пыли, в результате чего жидкое стекло становится простой матрицей. Жидкое стекло недорогое и широко доступно, что делает его популярным во многих областях применения огнеупоров.

Литье в песчаные формы

Он используется в качестве связующего для песка при литье чугуна или стали. Он позволяет быстро изготавливать прочную форму, пропуская CO 2 через смесь песка и силиката натрия в формовочной коробке , что почти мгновенно затвердевает .

Краситель вспомогательный

Раствор силиката натрия используется в качестве фиксатора при окрашивании рук реактивными красителями, которые требуют высокого pH для взаимодействия с текстильным волокном. После того, как краситель нанесен на ткань на основе целлюлозы, такую ​​как хлопок или вискозу, или на шелк, ей дают высохнуть, после чего силикат натрия наносится на окрашенную ткань, покрывается пластиком для удержания влаги и оставляется. реагировать в течение часа при комнатной температуре.

Пассивная противопожарная защита

Expantrol патентованный силиката натрия суспендируют в приблизительно 6,5 мм толстым слоем красной резины, тип 3M FS195, вставленной в металлическую трубу, а затем нагревают, чтобы продемонстрировать твердую обугленного набухание , достаточно сильным , чтобы закрыть кривую плавления пластиковой трубы
Устройство для труб из вспучивающейся пластмассы на основе палусола, используемое для пожаротушения в коммерческих целях

Силикаты натрия по своей природе вспучиваются . Они бывают в форме гранул (твердых шариков), а также в виде жидкого жидкого стекла. Сплошная листовая форма (Palusol) должна быть гидроизолирована для обеспечения долгосрочной пассивной противопожарной защиты (PFP).

Стандартные твердые силикаты натрия в форме шариков используются в качестве заполнителя в силиконовой резине для производства противопожарных устройств для пластиковых труб . Силиконовый каучук не обладал достаточной гидроизоляцией, чтобы сохранить проницаемость, и продукты пришлось отозвать, что проблематично для противопожарных заглушек, скрытых за гипсокартоном в зданиях .

Пасты для уплотнения также нестабильны. Это тоже привело к отзыву и даже судебным разбирательствам. Только «с версией„Expantrol“, который имеет внешнюю тепловую обработку , которая помогает герметизировать наружную поверхность, как часть своего стандарта процесса, достигли достаточной долговечности , чтобы претендовать на DIBt согласования в США для использования в противопожарном.

В отличие от других вспучивающихся веществ, силикат натрия, как в форме гранул, так и в жидкой форме, по своей природе является эндотермическим из-за жидкой воды в жидком стекле и гидратов в форме гранул . Отсутствие в США обязательных тестов на старение, в соответствии с которыми системы PFP должны проходить испытания производительности системы после воздействия старения и влажности, лежит в основе постоянной доступности в Северной Америке продуктов PFP, которые могут выйти из строя в течение нескольких недель. установка. Неизбирательное использование силикатов натрия без надлежащих мер гидроизоляции способствует возникновению проблем и риску. Когда силикаты натрия должным образом защищены, они работают очень хорошо и надежно в течение длительного времени. Доказательство этого можно увидеть во многих одобрениях DIBt для противопожарных устройств для пластиковых труб с использованием Palusol (продукт BASF ), в которых используются гидроизолированные листы силиката натрия.

Ремонт металла

Силикат натрия используется вместе с силикатом магния в пасте для ремонта и монтажа глушителей . При растворении в воде силикат натрия и силикат магния образуют густую пасту, которую легко наносить. Когда выхлопная система двигателя внутреннего сгорания нагревается до рабочей температуры , тепло вытесняет всю лишнюю воду из пасты. Оставшиеся силикатные соединения обладают стеклоподобными свойствами, что делает ремонт временным хрупким.

Ремонт автомобилей

Силикат натрия в настоящее время также используется в качестве герметика стыков выхлопной системы и герметика трещин при ремонте глушителей, резонаторов, выхлопных труб и других компонентов выхлопной системы с армирующими лентами из стекловолокна и без них. В этом случае силикат натрия (60–70%) обычно смешивают с каолином (40–30%), минеральным силикатом алюминия, чтобы сделать «склеенное» соединение силиката натрия непрозрачным. Силикат натрия, однако, является высокотемпературным клеем; каолин служит просто совместимым высокотемпературным красителем. Некоторые из этих ремонтных составов также содержат стекловолокно для улучшения их способности заполнять зазоры и уменьшения хрупкости.

Силикат натрия можно использовать для заполнения зазоров внутри прокладки головки блока цилиндров . Обычно используется на головках цилиндров из алюминиевого сплава , которые чувствительны к термическому деформации поверхности. Это может быть вызвано многими причинами, включая растяжение головных болтов, недостаточную подачу охлаждающей жидкости , высокое давление в головке блока цилиндров, перегрев и т. Д.

«Жидкое стекло» (силикат натрия) добавляют в систему через радиатор и оставляют циркулировать. Силикат натрия находится во взвешенном состоянии в охлаждающей жидкости до тех пор, пока не достигнет головки блока цилиндров. При температуре 100–105 ° C (212–221 ° F) силикат натрия теряет молекулы воды, образуя стеклянное уплотнение с температурой плавления выше 810 ° C (1490 ° F).

Ремонт силикатом натрия может длиться два года или дольше. Восстановление происходит быстро, и симптомы исчезают мгновенно. Этот ремонт работает только тогда, когда силикат натрия достигает своей «конверсионной» температуры 100–105 ° C. Загрязнение моторного масла - серьезная возможность в ситуациях, когда присутствует утечка охлаждающей жидкости в масло. Загрязнение смазочных материалов силикатом натрия (стеклянными частицами) нарушает их функцию.

Раствор силиката натрия используется для недорогого, быстрого и постоянного вывода из строя автомобильных двигателей. При работе двигателя с примерно 2 литрами раствора силиката натрия вместо моторного масла раствор выпадает в осадок, катастрофически повреждая подшипники и поршни двигателя в течение нескольких минут. В Соединенных Штатах эта процедура использовалась для соблюдения требований программы Rebate System (CARS) .

Безопасное строительство

Смесь силиката натрия и опилок использовалась между двойной обшивкой некоторых сейфов . Это не только делает их более огнестойкими , но и чрезвычайно затрудняет их вскрытие кислородно-ацетиленовым резаком из-за выделяемого дыма .

Хрустальные сады

Когда кристаллы ряда солей металлов бросают в раствор жидкого стекла, образуются простые или разветвленные сталагмиты цветных силикатов металлов. Это явление использовалось производителями игрушек и химических наборов, чтобы доставлять поучительное удовольствие многим поколениям детей с начала 20 века до наших дней. Первые упоминания о кристаллах солей металлов, образующих « химический сад » в силикате натрия, можно найти в журнале Modern Mechanix 1946 года . Используемые соли металлов включают сульфаты и / или хлориды меди, кобальта, железа, никеля и марганца.

Керамика

Силикат натрия используется в качестве дефлокулянта в литейных шликерах, помогая снизить вязкость и потребность в большом количестве воды для разжижения глиняного тела. Он также используется для создания эффекта потрескивания в керамике, обычно выкованной кругом. На колесо набрасывается ваза или бутылка, довольно узкая и с толстыми стенками. Силикат натрия наносится кистью на участок детали. Через 5 минут стенка изделия вытягивается наружу ребром или рукой. Результат - морщинистый или потрескавшийся вид.

Он также является основным агентом в «волшебной воде», которая используется при соединении кусков глины, особенно если их уровень влажности отличается.

Герметизация протекающих водосодержащих конструкций

Силикат натрия с добавками был закачан в грунт, чтобы укрепить его и тем самым предотвратить дальнейшую утечку высокорадиоактивной воды с АЭС Фукусима-дайити в Японии в апреле 2011 года. Остаточное тепло, переносимое водой, используемой для охлаждения поврежденных реакторов, ускорилось. установка закачиваемой смеси.

3 июня 1958 года военный корабль США « Наутилус» , первая в мире атомная подводная лодка, посетил Эверетт и Сиэтл. В Сиэтле членов экипажа, одетых в гражданскую одежду, отправили тайно купить 140 литров (160 литров) автомобильного продукта, содержащего силикат натрия (первоначально обозначенного как Stop Leak), для ремонта протекающей системы конденсатора. « Наутилус» направлялся к Северному полюсу с секретной миссией по пересечению Северного полюса под водой.

Патроны для огнестрельного оружия

Историческое использование адгезионных свойств силикатов натрия связано с производством бумажных патронов для револьверов с черным порохом, производимых компанией Colt Manufacturing Company в период с 1851 по 1873 год, особенно во время Гражданской войны в США. Силикат натрия использовался для скрепления горючей нитрированной бумаги вместе с образованием конического бумажного картриджа для удержания черного пороха, а также для приклеивания свинцового шарика или конической пули к открытому концу бумажного картриджа. Такие патроны из цементированной силикатом натрия бумаги вставлялись в цилиндры револьверов, тем самым ускоряя перезарядку револьверов с черным порохом. Это использование в значительной степени закончилось выпуском револьверов Colt, в которых использовались патроны с латунными гильзами, начиная с 1873 года. Аналогичным образом, силикат натрия также использовался для цементирования верхней части латунных гильз для дробовика , тем самым устраняя необходимость в обжиме в верхней части латунного дробовика. Снаряд для удержания гильзы дробовика. Перезарядка латунных гильз для дробовиков широко практиковалась самодостаточными американскими фермерами в 1870-х годах с использованием того же материала водяного стекла, который также использовался для сохранения яиц. Цементирование верхнего пыжа на патрон дробовика заключалось в нанесении от трех до пяти капель водяного стекла на верхний пыж, чтобы прикрепить его к латунному корпусу. Примерно с 1877 года латунные корпуса для гильз для дробовиков были заменены бумажными корпусами. В более новых гильзах для дробовиков с бумажным корпусом использовался валковый обжим вместо цементированного жидким стеклом соединения, чтобы удерживать верхний комок в гильзе. Однако, в то время как латунные дробовые патроны с верхними пыжами, зацементированными жидким стеклом, можно было перезаряжать почти бесконечно (учитывая порох, пыж и дробь, конечно), бумажные корпуса, которые заменили латунные корпуса, можно было перезаряжать только несколько раз.

Еда и лекарства

Силикат натрия и другие силикаты, хотя и не используются в медицине, являются основными компонентами «мгновенных» кремов для удаления морщин, которые временно подтягивают кожу, чтобы минимизировать появление морщин и мешков под глазами. Эти кремы, если их нанести тонким слоем и дать высохнуть в течение нескольких минут, могут дать впечатляющие результаты. К сожалению, это не постоянно, длится несколько минут или пару часов. Он действует как водный цемент: как только мышца начинает двигаться, она трескается и оставляет белые остатки на коже.

Консервация продуктов

Плакат времен Первой мировой войны, предлагающий использовать жидкое стекло для сохранения яиц (внизу справа).

Жидкое стекло с большим успехом использовалось в качестве консерванта для яиц, прежде всего, когда охлаждение недоступно. Свежеотнесенные яйца погружают в раствор силиката натрия (жидкое стекло). После погружения в раствор их вынули и дали высохнуть. На яйцах остается прочный герметичный налет. Если они затем хранятся в подходящей среде, большинство бактерий, которые в противном случае могли бы вызвать их порчу, удерживаются, а их влага сохраняется. Согласно цитируемому источнику, обработанные яйца могут храниться свежими с помощью этого метода до пяти месяцев. . При варке яиц таким образом скорлупа становится непроницаемой для воздуха, и яйцо будет иметь тенденцию треснуть, если в скорлупе не будет проделано отверстие (например, булавкой) для выхода пара.

Домашнее пивоварение

Свойства флокулянта силиката натрия также используются для осветления вина и пива путем осаждения коллоидных частиц. В качестве клирингового агента, хотя, силикат натрия иногда путать с желатином , который получают из коллагена , извлеченного из высушенных плавать пузыри из осетровых и других рыб. Яйца хранятся в ведре с жидким гелем, а их скорлупа иногда также используется (запеченная и измельченная) для очистки вина.

Аквакультура

Гель силиката натрия также используется в качестве субстрата для роста водорослей в инкубаториях аквакультуры .

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Словарь промышленных химикатов Эшфорда, третье издание, 2011 г., стр. 8369.

внешние ссылки