Строительные материалы статьи

Исследование процесса растворения минеральной ваты в щелочах

Широкое применение минеральной ва-

11. 1, как утеплителя во многих отраслях промышленности выдвигает требовании получения материала, обладающего вы - гикой химической СТОЙКОСТЬЮ К а Грее' .ннным средам, в частности, к щелочам,

; о скольку в эксплуатационных условиях минераловатные изделия подвергаются действию щелочей, входящих в состав ( связующего, в состав материала строи - ; ісльїшх конструкции, да и самого во - .окна. Поэтому повышение химической (.тонкости минеральной ваты к раство­рам щелочей — вопрос актуальный.

В литературе мало материалов, отра-

Ж.] ЮІ цих систем а тнческие исследова и и я. тсвящениыс изучению этой проблемы. Чольшая часть публикаций относится к

І.'пеитной литературе, в которой приво­зне я только составы волокон и дан­ные по их химической стойкости.

Основные представления о механизме іеііствия щелочей на стекло были вы­сказаны В. Гефкеном н Е; Бергером [11.

В дальнейшем они были развиты другн - исследователями [2—6]. Согласно ■! взгляду, при действии щелочей на втекло в основном протекает реакция *';'ЖДУ щелочью II КрЄМНЄЗЄМОМ, ПрНВО-

.нщая к разрушению силоксановых свя - ом с образованием силанольных групп.

Работе гп отмечается, что первой і - та дней этой реакции является образо­вание адсорбционных соединений с гид­роксидом натрия с последующим более медленным их распадом:

1 1 +

— 5І — О — Бі — + Ыа+ ОН-

5і — О — Бі -- — 5ІО — N3 +

1 + 1 1 Ка+ОН-

-]---- Бі — ОН.

!

| Однако при введении в систему ионов тдроксила, кроме разрушения кремне - ! кислородного каркаса, происходит по­ляризация связен Ме — О—, и даже в енлыютелочных растворах (рН>12) нажную роль играет реакция ионного обмена [7, 81:

-5і-0-51 Ч 2 N0 ОН-Ь і,-0-5 і - + Ме (Он) і 2 ) ' II 2

О п СІ-ія ОМа

В задачу авторов входило иселсдо - : паті, кинетику разрушения минеральной

- паты различного химического состава

11Ы. Химический состав и основные ха­рактер. 1С1 ики испытанной минеральной ваты в процессе ее растворения п 0,1-п. растворе a011 приведены в таблице. Чтобы получить сравнительные данные, было испытано ще. ючестойкое цнрконо - содержашее стекло [91 и минеральная вата чападпо-гермапского производства фирмы «Огни/ е? с Наг1гпачш».

Образны растворяли к 0,1 н. растворе гидрооксн. ча натрия в интервале темпе­ратур 30 60°<О шслочестойкости ми­

Неральной ваты судили по количеству перешедших и раствор кремнезема и оксида калыши. Дли этой Цели исполь­зовали гоикошмельченные пробы фрак­ции меасс 0.0') мм, которые растворяли в полиэтиленовых стаканах в водяном термостате. тсмнератр' которого под­держивали с точностью до 1СС. Пере­мешивали раствор электромагнитной мешалкой с:> скопостыо 250 мни-1.

Чтобы оире. ю.ипь количество пере­шедшею в раствор кремнезема, навеску

0, 5 г минеральной ваты заливали 50 мл <9,! а. (мсткг. ря г<(Х(юкс«ла нагряя и арк Постоянном перемешивании (через каж­дые 10 мни в течение 60 мни) отбирали пробы. Их фильтровали через бумаж­ный фильтр и в фильтрате устанавлива­ли количество растворившегося кремне­зема колориметрическим способом с при­менением синего комплекса с молибда - том аммония.

Количество растворившегося оксида кальция определяли, вводя в щелочной раствор 3—4 капли 1%-ного водного ра­створа коммлексочстрического индика­тора кальциона для связывания пере­шедших в раствор нонов кальция, что вело к изменению цвета раствора от синего до красного. Растворение шло с постоянным титрированием 0.025 п. ра­створом трнлопа Б. При этом ноны кальция переходили в более прочный комплекс с трилоном Б. По количеству израсходованного на титрование трило - на Б судили о скорости растворения пробы.

Критерием щслочестойкости пробы была растворимость ее Р, %. (рис. 1, 2), которую определяли но соотношению количества растворившихся оксидов калытя или кремнезема к их количест­ву в пробе (г-экв). Значения энергии активации (см. табл.) рассчитывали по данным для Р при 30—60°С.

С ростом продолжительности щелоч­ной обработки происходит непрерывный переход в раствор оксида кальция и кремнезема. Интенсивность этого про­цесса и характер кинетических кривых зависят ог состава волокон.

Из данных таблицы следует, что энер­гии активации действия щелочен на свя­зи 5| — О — Я1 н — О — Са различа­ются, что указывает па разнотипность проходящих реакции: разрыв связей

Б; — О — Са протекает в диффузионной области (П. 1,.-т<С10 ккал/моль) и лими­тируется массопередачен. а процесс пе­рехода 5Ю2 в раствор определяется ус­ловиями химической кинетики и лими­тируется совокупностью химических ак­тов на поверхности минеральной ваты.

Разрушение циркониевого стекла п минеральной нагы производства ФРГ (см табл., № 11) протекает значитель­но мочлепнео но сравнению с разруше­нием остальных волокон (см рис. 1).

Стеклянная пата (кривая 7) но выше - лачиваемости оксида кальция не усту­пает - заводском минеральной вате, не­смотря на то, что стеклянное волокно, по литературным данным, является ма­лостойким в щелочной соелс. В связи с этим методика опренелечня шелоче - стонкостн силикатных волокон по пере­ходу ионов кальция в раствор не отра­жает полной картины действия щелочей па волокна, содержащие малые количе­ства кальция (стеклянная пята, мине­ральная вата производства ФРГ. пиоко - ниевое стекло), поскольку ячнная метп - чика не дает возможности судить о раз­рушении кремиекисловолного каркаса. Она отражает лишь пвонесс замещения ионов кальция на менее прочно связан­ные с кремнием «епез атом кислорода ионы натрия. Такое замещение возмож­но при определенной и высокой концен­трации ионов натрия в растворе.

О щелочестонкости минеральной ваты правильнее судить по переходу кремне­зема в раствор. Циркониевый расплав и по этой методике является наиболее ше - лочестойким (рис. 2). Это связано, по - видимому, с малой растворимостью инп - конийсодержаших пполукточ гнлролч - ■’■я, образующихся ня човепхности стекля " чкпаппруюших —О — Б] связен МП.

Значительно больше разрушаются •'текляннля и минеральная ваты № 1 —

4, полуночные из глнны и лоломита при опытной планке. Нужно отметить, что минеральная вата, полученная на Крас­ноярском ПО из известняка и габбро - днабаза (■Мк = 2.09)1 растворяется мень­ше. чем из шлака и габбоо-диабаза (.М„ = 1,41) (рис. 2, кривые Б н 10).

Важнейшим фактором, определяющим щелочестойкость минеральной ваты, яв­ляется состояние ее КРеМНеКИСЛО'ЗДЛ'т- го каркася. обозначаемое кислородным числом Г121. Стеклянная вата, кислород­ное число которой 2,59 (см. табл.). име­ет высоконолимернзованную структуру, модификаторами которой являются в основном щелочные ионы Ыа+ и в мечь тем количестве — ионы кальция н маг­ния. Создается возможность для реак­ции по уравнению (1).

Минеральная вата с кислородным чис­лом около 3—4 обладает структурой, роль модификаторов которой выполня­ют в основном двух - и трехвалентные катионы (Са2+, М^2+, Ре24 и, в част­ности. Аг+ и Ге3+). в большой степени по сравнению со стеклянным волокном препятствующие ПОДХОДУ ОН“ ионов к

51— О — связям. Такая минеральная вата в отличие от стеклянной менее чув­ствительна к • воздействию щелочей.

Меньшую щелочестойкость минераль­ной ваты производства ФРГ (рис. 2. кривая И) но сравнению с ватой № 6 (см. таблицу) можно объяснить содер­жанием в составе волокна большого ко­личества оксида алюминия (19,09%). ко­торый при сравнительно небольшом со­держании оксида кальция (10.91%) в основном - входит в структуру кремне - кислородного каркаса и образует алю - моси. юксановые связи А1 — О — 51 более чувствительные к воздействию щелочей, чем силоксановые связи 51 — О — 51

Пп.

При кислородном числе минеральной ваты более 4 полимерная структура кремнекислородного каркаса отсутству­ет или находится в виде отдельных низ- кополимеризованных цепочек, легко ра­створяющихся в щелочах, поскольку об­легчен подход ионов гидроксила к ато­мам иземння. Вследствие этого образу­ются 'Кютворнмыс в воле силикаты нат­рия:

СаБЮз 4- 2 МаО! I -> Ка,5Ю3 +

-|- Са (ОН),; (3)

2 СаБЮз + 4 ЫаОН К'а45Ю4 +

+ 2 Са (ОН)-2 (4)

С уьс-личением кислородного числа сво­бодными могут оказаться и алюминаты кальиия и магния, которые в растворе гидроксида натрия могут образовать растворимые в воде алюминаты натрия. Поскольку с ростом кислородного числа вероятность увеличения таких соедине­ний возрастает, можно объяснить умень­шение щелочестонкости с уменьшением М,; минеральной ваты, выплавленной из глины и доломита при опытной плавке (кривые 1—4) или минеральной паты, полученной из шлака и габбро-днабаза на Красноярском ПО (кривая Б).

Можно утверждать, что наиболее ще­лочестойким является ВОЛОКНО, имеющее- структуру с кислородным числом околё^

3, 5. Такое волокно наиболее пригодно для изготовления качественных минера - ловатиых изделий на неорганическом, связующем.