Мнение технолога-лакокрасочника

Силикатами называют соли кремниевых кислот. Силикаты натрия называют растворимыми стеклами, а их водные растворы — "жидким стеклом", потому что они растворимы в воде, а в твердом состоянии для них характерно аморфное стеклообразное состояние. Их эмпирическая формула - Na₂Si0₃. Силикаты натрия, недорогие неорганические материалы, - твердые бесцветные вещества.

Жидкое натриевое стекло выпускается по межгосударственному стандарту ГОСТ 13078-2021 "Стекло натриевое жидкое. Технические условия".

При использовании в качестве клеев жидкие силикаты обладают:
● значительной низкой стоимостью;
● универсальностью и
● простотой в использовании.
Они в основном применяются для склеивания пористых подложек, таких как бумага и картон, где требуется недорогой клей для быстрой обработки.

Другие области применения клеев для силикатов натрия включают:
● склеивание древесины,
● металлической фольги или стекла к пористым основаниям,
● приклеивание изоляции из стекловолокна, а также
● изготовление литейных форм и абразивных кругов.

Благодаря своей неорганической природе силикаты натрия могут быть использованы в качестве промышленных цементов с исключительно высокой устойчивостью к температурам и химическим веществам.

Клеи на основе силиката натрия обычно поставляются в виде вязкого водного раствора. Адгезионное соединение образуется за счет:

1. испарения воды и/или
2. химической реакции.

Водные растворы силиката натрия часто используются непосредственно в качестве немодифицированного клея, но их также можно смешивать с полимерными добавками для улучшения специфических свойств, таких как прочность клеевого шва.

Силикаты натрия также могут быть использованы в качестве недорогой модифицирующей добавки в других клеях на водной основе.

Клеи на основе "жидкого стекла" обладают умеренной липкостью, поэтому необходимо прижимать склеиваемые поверхности до тех пор, пока соединение не высохнет. К счастью, растворы силиката натрия быстро высыхают.

Хотя высохшее клеевое соединение, как правило, устойчиво к высоким температурам и химическим воздействиям, оно хрупко и несколько чувствительно к воде. Поэтому нужно убедиться, что клеевой шов полностью высох и не подвергался воздействию воды или влаги в процессе высыхания.

Водостойкость клея может быть улучшена путем взаимодействия силикатов натрия с различными кислотными соединениями или соединениями тяжелых металлов. Добавление сахара, глицерина и других веществ способствует удержанию влаги в пленке, повышает ее гибкость, липкость и ударопрочность. Каолиновую глину часто добавляют для повышения вязкости клеев на основе "жидких стекол" и предотвращения чрезмерного их проникновения в пористые основания.

Основными преимуществами силикатно-натриевых клеев являются:
● относительно низкая стоимость,
● устойчивость к горению и
● пригодность для быстрого нанесения покрытий на водной основе на многие пористые поверхности.

Силикаты натрия изготавливаются из легкодоступного, недорогого сырья и, следовательно, имеют низкую стоимость по сравнению с большинством клеев на основе синтетических органических полимеров.

Клеи на основе силиката натрия также устойчивы к экстремально высоким температурам. Некоторые из них выдерживают температуру до 1100°C. Благодаря своей неорганической природе они огнестойки и устойчивы к воздействию грибков и плесени.

Клеи на основе силиката натрия часто используются в строительстве.

Давайте углубимся в изучение производства силикатов натрия, а также их ключевых свойств, областей применения и проблем безопасности.

Силикаты натрия: процесс производства и виды "жидкого стекла"

Силикаты натрия выпускаются либо в виде жидких водных растворов, либо в виде порошков, которые находят применение в сухих клеевых смесях.

Они изготавливаются путем смешивания различных пропорций песка или диоксида кремния (SiO₂) и кальцинированной соды (Na₂CO₃) или оксида натрия (Na₂O), и последующим спеканием компонентов при температуре 1118°C. Полученный силикат натрия затем растворяют в воде или измельчают в порошок.

Изменяя соотношение SiO₂ к Na₂O и содержание массовой доли нелетучих веществ, можно получить клеевые растворы на основе силиката натрия, обладающие различными свойствами для конкретных промышленных применений.

Соотношение SiO₂ к Na₂O обычно колеблется от 1,6 до 3,3, называется силикатным модулем. А содержание нелетучих веществ обычно находится в диапазоне от 25 до 65%. В таблице ниже приведены характеристики различных марок силиката натрия, которые имеются в продаже, а также их общие области применения.

Типичные свойства жидких силикатов натрия

Вязкость "жидкого стекла" может варьироваться от очень текучих до относительно густых продуктов с незначительной текучестью. Как правило, для клеев используются растворы силикатов натрия с более высоким силикатным модулем (2,8-3,3). Растворы следует хранить при комнатной температуре, чтобы предотвратить замерзание и обеспечивали лучшую смачивающую способность на субстратах.

Силикаты калия (смеси SiO₂/K₂O) обладают схожими свойствами с силикатами натрия. Однако у силикатов калия есть и специфические свойства (например, они имеют большее электрическое сопротивление), которые делают их более подходящими для определенных областей применения. Силикаты калия используются не так широко, как клеи на основе силиката натрия, поскольку имеют более высокую стоимость.

Механизм схватывания и образования адгезионных связей "жидкого стекла"

Жидкие растворы силиката натрия образуют адгезионные связи за счет потери воды и/или с помощью химического механизма схватывания.

Обезвоживание "жидких стекол" происходит либо путем испарения, либо путем сорбции через пористые материалы подложки.

Химическое отверждение часто используют для улучшения свойств готовой клеевой пленки, таких как ранний набор прочности, влагостойкость и прочность сцепления.

Натриевое "жидкие стекло" обладает умеренной липкостью по сравнению со многими органическими клеями. По мере испарения воды жидкие силикаты становятся все более липкими и вязкими. Как правило, лишь небольшая часть воды (несколько процентов по весу) должна испариться, прежде чем клей приобретет хорошую прочность. Поэтому силикатно-натриевые клеи часто используются там, где требуется быстрое схватывание.

При близком значении вязкости более кремнистые системы (с более высоким соотношением SiO₂/Na₂O) - с высоким силикатным модулем - быстрее высыхают на воздухе, чем системы с более низким силикатным модулем. Однако "жидкие стекла" с более низким силикатным модулем, как правило, обладают большей липкостью и более высокой смачивающей способностью.

Для уменьшения количество воды в "жидком стекле" может потребоваться нагревание для сушки или обработка химическими отвердителями для достижения практических скоростей нанесения. Поскольку клеевые растворы с низким содержанием силиката натрия, как правило, удерживают больше воды, их высушенные пленки обычно менее хрупкие, чем у их аналогов.

Водородный показатель рН жидких силикатно-натриевых клеев довольно постоянен, поскольку он практически не меняется, если содержание твердых веществ в растворе силиката натрия превышает 10%. Для клеевых продуктов значение рН будет колебаться примерно между 11 - 13.

Для областей применений, где требуется водонепроницаемость, рекомендуется термическое отверждение или химическая реакция с силикатами натрия. После обезвоживания путем термического отверждения пленка из силиката натрия обладает умеренно хорошей устойчивостью к влаге. Термическое отверждение должно осуществляться поэтапно, чтобы предотвратить образование пара внутри клеевой пленки. Обычно температуру постепенно повышают до 100-105°C для медленного удаления воды и набора вязкости. Затем происходит окончательное отверждение клеевого слоя при температуре 150-200°C.

Химические реакции обеспечивают максимальную водонепроницаемость и водостойкость. Силикаты натрия могут вступать в реакцию с кислотными соединениями или соединениями тяжелых металлов с образованием твердых, нерастворимых связей. Эти соединения обычно добавляют непосредственно в жидкий раствор силиката натрия перед нанесением (то есть система двухкомпонентная). Однако они также могут быть нанесены на основание в качестве грунтовки или предварительной обработки перед склеиванием или их можно наносить на готовое клеевое соединение для последующей обработки.

Например, влагостойкость клеевого слоя можно значительно повысить, нанеся перед склеиванием на такие подложки, как бумага, подходящие соли алюминия.

Водостойкость клеев на основе раствора силиката натрия также может быть улучшена и добавлением в них мелкодисперсных порошков, таких как оксид цинка или аморфный карбонат кальция. Эти добавки будут медленно вступать в реакцию с силикатом, образуя нерастворимую массу. Сочетание силиката с кислотными материалами, такими как сульфат алюминия, приведет к нейтрализации щелочного силиката, что вызовет гелеобразование и образование прочной полимеризованной формы кремнезема. Различные химические механизмы схватывания кратко описаны в таблице ниже.

Преимущества силикатно-натриевых клеев

Основными факторами для использования силикатно-натриевых клеев являются их доступность в готовом виде, общая простота нанесения, относительно быстрое схватывание, стабильные свойства и отсутствие выбросов летучих веществ. Они также являются полностью неорганическими (негорючими) материалами. Образуют прочные соединения, жесткие и во многих случаях термостойкие и водостойкие. Преимущества, недостатки и типичные области применения силикатно-натриевых клеев приведены в таблице ниже.

Свойства быстрого схватывания, проявляющиеся при потере лишь небольшого количества воды в жидких силикатах, идеально подходят для применений, требующих высоких скоростей работы аппаратов. Эта особенность особенно ценна для гофрировальных машин, которые успешно эксплуатируются со скоростью до 2,5 м/сек с использованием силикатного клея.

При обезвоживании до состояния стекла растворимые силикаты натрия устойчивы к воздействию воды; однако длительное воздействие высокой влажности или водного раствора разрушит их, если только они не будут химически отверждены, как описано выше. Однако при обычной относительной влажности силикатное соединение может содержать до 20-50% воды. Адгезионные связи становятся прочнее по мере уменьшения содержания воды.

Достигайте гибкости клеевого шва за счет добавления аддитивов и каучуков

Клеи на основе силиката натрия, даже в гидратированном виде, обладают низкой степенью гибкости. Однако умеренная степень гибкости может быть достигнута добавлением пластификаторов в силикатный раствор. Сахар, глицерин и сорбит обеспечивают удержание воды и, тем самым, несколько увеличивают эластичность. Обычно они используются в концентрациях 1-5% по массе. Эти добавки также снижают вязкость, но в то же время улучшают липкость. Крахмалы и декстрины, а также дисперсии из натуральных или синтетических каучуков также используются в качестве добавок для повышения гибкости силикатно-натриевых клеев.

Роль адгезионной прочности в приклеивании силиката к подложке

Прочность силикатно-натриевых клеев на сдвиг достаточна для применения во многих областях. Иногда в клеевой состав добавляют наполнители в виде хлорида натрия, глины или талька:

● для регулирования вязкости;
● для уменьшения проникающей способности и
● для снижения материальных затрат.

Причем, для тонких свободных пленок была отмечена более высокая прочность сцепления. Когезионная прочность сцепления силикатно-натриевого клея часто выше, чем адгезионная к основаниям (например, картону, дереву и т.д.).

Поддерживайте термостойкость "жидких стекол", добавляя глину и органические наполнители

Температура плавления силикатов натрия 1088°C. Устойчивость к еще более высоким температурам может быть достигнута путем добавления в рецептуру глины или других неорганических наполнителей. Такие составы из силиката натрия обеспечивают исключительную термостойкость покрытий для металлов или стекла. "Жидкое стекло" является хорошим связующим для огнеупорного цемента.

Клеи на основе силиката натрия: рецептуры и области применения

Клеи на силикатах натрия наиболее эффективно действуют на чистых гидрофильных поверхностях: они способны склеивать многие пористые основания, такие как бумага, дерево и цемент, и даже многие непористые субстраты, такие как металлы и стекло.

При приклеивании к металлическим поверхностям силикатные клеи должны хорошо смачивать основание. Для этого в раствор силиката натрия часто добавляют поверхностно-активное вещество. Используют до 2 мас.% таких веществ, как сульфированное касторовое масло, жирные кислоты, канифольное мыло или нафталинсульфоновые кислоты.

Как правило, ограничивающим фактором при склеивании с металлом является негибкость силикатного соединения и разница в коэффициенте теплового расширения между силикатом и металлической подложкой. Тонкие силикатные пленки лучше зарекомендовали себя в этих областях применения, поскольку они относительно более гибкие, чем толстослойные.

Жидкие силикаты идеально подходят для пористых оснований. Такие подложки также могут быть ламинированы металлическими пленками с помощью силикатно-натриевых клеев.

Основным применением силиката натрия в области переработки бумаги является производство трубок, стержней и волокнистых барабанов. Другим популярным применением силикатно-натриевого клея является герметизация гофротары для транспортировки или хранения.

Растворы силиката натрия широко используются для изготовления многих видов цемента. К ним относятся цементы:

● для кислотостойких конструкций,
● огнеупорные материалы и
● связующие теплоизоляционные материалы.

Цементы с добавкой силикатов натрия, используются для футеровки и укладки огнеупорных изделий, изготовления литейных форм и стержней, укладки кирпича в сульфитном варочном котле для химической переработки древесной массы и возведения кислотостойкой кладки. Цементы для печей, дымоходов, топок, коксовых печей, свечей зажигания и для скрепления металла со стеклом и фарфором часто изготавливаются с использованием цементов с добавлением силиката натрия.

Преимущества силикатно-натриевых клеев

Основными факторами для использования силикатно-натриевых клеев являются их доступность в готовом виде, общая простота нанесения, относительно быстрое схватывание, стабильные свойства и отсутствие выбросов летучих веществ. Они также являются полностью неорганическими (негорючими) материалами. Образуют прочные соединения, жесткие и во многих случаях термостойкие и водостойкие. Преимущества, недостатки и типичные области применения силикатно-натриевых клеев приведены в таблице ниже.

Растворы силиката натрия также используются в качестве пропитки для металлических отливок, которые имеют тенденцию оставлять микроскопические пустоты и капилляры на границах зерен. Они особенно полезны для уплотнения пористости в отливках из песка. "Жидкие стекла" остаются популярными в этом применении благодаря своим превосходным эксплуатационным характеристикам, низкой стоимости и свойствам материала, связанным с безопасностью и гигиеной труда.

Большинство пропитывающих герметиков на основе силиката натрия модифицируются добавками для улучшения герметизирующих свойств. Типичными добавками являются:

● железный, медный или алюминиевый порошок
● каолиновая глина;
● порошкообразный графит;
● порошкообразный вермикулит;
● загустители.

В большинстве процессов герметизации используется вакуумная обработка для обеспечения эффективности герметизации и сокращения времени обработки.

Использование силиката натрия в качестве добавки к клеям на основе водных дисперсий

"Жидкое натриевое стекло" может быть использовано в качестве добавки во многих клеях на основе водных дисперсий. Преимущества добавления силиката натрия в рецептуру клеев на водно-дисперсионной основе:

● значительная экономия средств;
● повышенная огнестойкость;
● более стабильные составы;
● повышенная прочность соединения;
● повышенная устойчивость к воздействию тепла, света, окисления и микроорганизмов;
● обычно совместим со щелочными (рН выше 8,0) водными дисперсиями.

Силикаты натрия также используются для регулирования реологии и свойств покрытия некоторых водных систем. Как правило, они совместимы со следующими полимерными материалами:

● Бутадиен-стирол;
● Полистирол;
● Неопрен;
● Поливинилхлорид;
● Поливинилацетат;
● Сополимер акрилонитрила;
● Акриловый полимер и его сополимеры.

Информация об окружающей среде и технике безопасности

Силикаты натрия изготавливаются из двух самых простых в мире элементов – песка и щелочи. Таким образом, клеи на их основе нетоксичны и безвредны для окружающей среды.

В зависимости от степени щелочности (водородного показателя pH) растворы силикатов натрия могут вызывать при контакте с ними раздражение или ожог кожи и глаз. Необходимо соблюдать инструкции поставщика по применению "жидких стекол" и указания, приведенные в паспорте безопасности материалов. Силикаты натрия являются неорганическими веществами и, следовательно, взрыво- и пожаробезопасны.