Растворимое и жидкое стекло

Стеклообразные щелочные силикаты

Расплавы щелочных силикатов натрия и калия склонны к стек - лообразованию. Границы стеклообразования в этих системах весьма обширны и составляют, по данным различных исследо­вателей, для натриево-силикатной системы от 0 до 52% Na20, для калиево-силикатной системы от 0 до 54,5% К2О, т. е. теоретически натриевая силикат-глыба существует при силикатном модуле ">0,9, а калиевая —При модуле п>1,3. Расчетный массовый,

61 51 44

41,6 39,5

38.5

37.6

36.7 35,9

35.0 34,3 33,6 32,9 . 32,2 31,5 30,9 29,5

28.1

Мольный химический состав и значения модулей для калиевой и натриевой силикат-глыбы представлены в табл. 2.

Строение (структура) щелочных силикатных стекол трактуется в [8] исходя из разрыва структурной сетки кварцевого стекла щелочными катионами.

Основными свойствами силикатных расплавов и стекол, опре­деляющими особенности технологии силикат-глыбы и ее примене­ния для производства жидкого стекла, являются вязкость при различных температурах щелочных силикатных расплавов, их поверхностное натяжение, изменение химического состава сили­катных расплавов при высоких температурах, а также такие свой­ства стекла (силикат-глыбы), как плотность, показатель свето­преломления и кинетика растворения в воде. Приведенные ниже (в п. 2.2) свойства силикатных расплавов и стекол в основном яв­ляются значениями, полученными при обобщении данных рабо­ты [9].

Вязкость силикатного расплава — важнейшее технологическое свойство, обуславливающее скорость течения реакций стекло - образования, ход осветления стекломассы, способ выработки стекла. Знание температурной зависимости вязкости стекломассы необходимо'для обеспечения режима варки и выработки стекло­массы. Так, провар и осветление стекломассы осуществляют, как правило, при вязкости «10 Па-с, выработку — при яїЮ2 Па-с. Изменение вязкости г) натрий-силикатных расплавов при измене­нии силикатного модуля в пределах «=1—4 (изотермы вязкости) приведено на рис. 6.

16 J

Для определения температурной зависимости вязкости стекол системе Na20—Si02 выведена эмпирическая зависимость [10], сраженная уравнением lgri — А + 'а/Т2, где А и 'а — коэффици­енты, зависящие от химического состава натриево-силикатного расплава (рис. 7, а и б). Изменение вязкости г от температуры стекла состава дисиликата натрия (Na20-2Si02) рассчитано по данным [9] в широком интервале температур от 800 до 1360 °С (рис. 8). Изотермы вязкости силикатных расплавов в системе j(20—Si02 приведены на рис. 9.

Температура размягчения натриевых силикатных стекол при увеличении модуля от 2,07 до 3,87 возрастает с 590 до 665 °С, а тем­пература растекания — от 760 до 870 °С. Для калиевых силикат­ных стекол с модулем в пределах 3,3—3,9 температура размягче­ния составляет 690—740 °С, а температура растекания — 890— 910 °С [11].

Поверхностное натяжение, его абсолютное значение, проявля­ется на различных стадиях технологического процесса варки стекла: на стадии стеклообразования, при осветлении стекло­массы, на стадии ее выработки. Поверхностное натяжение а про­мышленных стекол в зависимости от состава меняется в пределах 0,155—0,470 Н/м. Поверхностное натяжение мало зависит от тем­пературы. Температурный коэффициент изменения поверхностного натяжения Да/Д/ для щелочно-силикатных стекол имеет отрица­тельное значение. При повышении температуры на 100 °С поверх­ностное натяжение щелочно-силикатных стекол снижается на 2— 4% от первоначального [8].

Зависимость поверхностного натяжения а (Н/м) от состава на­триево-силикатного расплава, по данным А. А. Аппена [12], в ин­тервале температур 1130—1270 °С приведена на рис. 10. Эта за­висимость носит характер обратной пропорциональности-во всем исследованном интервале составов. Изотермы изменения поверх­ностного натяжения силикатно-натриевого стекла при изменении значения силикатного модуля в пределах п= 1—4, по данным [13], приведены для двух значений температур расплава на рис. 11. Для этих изотерм характерно минимальное значение величины поверхностного натяжения в области силикатного модуля п=3.

Изменение химического состава щелочно-силикатных распла­вов при высоких температурах связано с преимущественным ис­парением (возгонкой) щелочных оксидов, в результате чего рас­плав переходит в область с более высоким содержанием кремне­зема. Такое испарение щелочных оксидов зафиксировано для любых температур расплавов, однако оно приобретает большее значение при температурах расплава свыше 1200 °С, и особенно при увеличении щелочности (снижение модуля силикатного рас­плава). Калиевые щелочно-силикатные расплавы характеризуют­ся большей потерей щелочи, чем соответствующие по составу натриевые. Зависимость потери щелочи от времени выдержки при 1400 °С и от силикатного модуля расплава дана на рис. 12 [13].

2 Заказ 23 17

4(1

Рнс. 9. Изотермы вязкости стекол системы К2О—Si02

Рис. 10. Зависимость поверхностного натяжения а от состава натрнево-силнкатного

Расплава

Рнс. П. Изотермы изменения поверхностного натяжения силикатно-натриевого

Стекла

Рис. 12. Зависимость общей потери щелочи от модуля расплава и времени выдержки У—п= 1,04; 2—2,04; 3—п = 3,40; 4—п=4,65

Рис. 13. Изменение плотности q щелочно-силикатных стекол в зависимости от значения силикатного модуля п 1 — натриевое стекло; 2 — калиевое стекло

Рис. 14. Зависимость плотности натриево-силикатных расплавов от состава при

Высоких температурах

Рнс. 15. Изменение показателя светопреломления N натриево-силикатного (кри­вая 1) и калиево-силикатного стекла (кривая 2) в зависимости от силикатного

Модуля п

Плотность щелочно-силикатных стекол (силикат-глыбы) ув? личивается по мере повышения концентрации иона-модификатор? Na+, К+ (уменьшения значения модуля силикат-глыбы). Это вышение плотности связано с заполнением полостей в простра^ ственном каркасе Si02. Минимальная плотность характерна д^ кварцевого стекла (2,203 г/см3). Значения плотности стекла прц увеличении силикатного модуля п от 1 до 3 показаны на график рис. 13, составленном по усредненным значениям, приведенныщ в [9] (при комнатной температуре). Плотность увеличивается oj 2,203 для чистого кварцевого стекла до 2,566 для стекла, отве­чающего составу метасиликата натрия (я= 1), причем на кривой зависимости плотности от состава не обнаруживаются характер, ные точки, отвечающие образованию соединений по диаграмме состояния Na20—SiO>. Однако на кривой зависимости удельного объема стекла от состава обнаруживается перегиб, соответствую­Щий составу с модулем п = 2 (Na20-2Si02) и характеризующий определенное изменение структуры стекла в этой области. Для калиево-силикатных стекол аналогичный перегиб обнаруживается в области составов, соответствующих тетрасидикату калия.

Плотность натриево-силикатных расплавов при высоких темпе­ратурах (1200 и 1300 °С) в зависимости от их состава приведена на рис. 14. Характерный перелом обеих приведенных изотерм плотности приходится на состав, соответствующий составу мета­силиката натрия (Na20-Si02).

Показатель светопреломления является важной физико-хими­ческой константой и определяется составом и строением стекла. Для стекол в бинарной системе М20—Si02 определение показа-? теля светопреломления может служить вполне надежным спосо-_ бом установления фактического состава стекла. Определяют показатель светопреломления с помощью иммерсионных жидкое-' тей (с известным yV) на оптическом микроскопе. Для силикат - глыбы показатель светопреломления по мере повышения модуля (уменьшения щелочности) снижается в пределах значений, при­веденных на рис. 15 (по данным [9]).

Рис. 16. Влияние примесных оксидов на относительную скорость раство­рения натриево-силикатного стекла (ордината — отношение скорости растворения к скорости растворения чистого стекла ЫагО-ЗВЮг)

Водостойкость щелочных силикатных стекол — весьма услов-/ Понятие,1 поскольку конечной целью синтеза таких стекол' нвлЯЮТся не сами стекла, а продукты их растворения в воде— Жидкие стекла, и их низкая водостойкость служит технологиче­ской гарантией полного растворения и образования доброкаче­ственных щелочных силикатных растворов. Сведения о раствори­мости в щелочных силикатных системах приведены в п. 2.3 при оассмотрении соответствующих гидросиликатных систем. Основ­ные факторы, влияющие на кинетику растворения щелочного сили­Катного стекла в воде, — это величина силикатного модуля и при­Сутствие в стекле примесных ионов металлов.

При снижении силикатного модуля скорость растворения щелочного силикатного стекла увеличивается. Присутствие при­месных оксидов снижает скорость растворения силикатного стек­ла. На рис. 16 приведено, поданным [ 13], относительное снижение скорости растворения натриево-силикатного стекла, содержащего примесные оксиды, по сравнению со скоростью растворения чис­того стекла состава Na20-3Si02.