Связующие композиции на основе жидкого стекла.

Жидкое стекло – коллоидальный водный раствор силиката К или Na переменного состава Na₂OnSiO₂mH₂O(или Na₂Si₂O₅). Ж.С. готовят из силиката Na, полученного сплавлением при 1300-1350С кварцевого песка с содой(содовая) или Na₂SO₄ и углем(сульфатное). Жидкие стекла (ЖС) получают из водорастворимых силикатов натрия (ГОСТ 13079-93), калия или смешанных калиево-натриевых и натриево-калиевых путем автоклавного растворения твердой силикат-глыбы и воды при давлении 0,4...0,8 МПа или "мокрым способом" путем автоклавного взаимодействия материалов на основе кристаллического или аморфного кремнезема с водным раствором едкого натра при давлении 1,0...2,5 МПа.

По внешнему виду содовое Ж.С. имеет желтоватый оттенок, сульфатное – темное, почти черное. Если используют смешанное Ж.С., то оно имеет грязно-серый цвет. Само Ж.С. согласно ГОСТ 13078-81 делится в соответствии со значением модуля на 3 группы: силикатным модулем(М) называется величина, показывающая мольное отношение SiO₂ к Na₂O.

М=m _SiO2/m _Na2O *1,032 – для натриевого Ж.С.(содовое)

m – массы оксидов, %

1,032 – отношение молекулярной массы Na₂O к молекулярной массе SiO₂. если используется в произвольном калиевое стекло, то

В зависимости от модуля Ж.С. бывает:

1. низкомольные М=2,61…3

2. высокомольное М=3,01…3,5

3. в литейном производстве М=2…3,1

Чаще всего в цехах применяется Ж.С. с модулем 2,2-2,8. в летний период из-за снижения живучести смеси модуль понижается до значения 1,6-1,7 введением 40% водного раствора едкого натра.

Структурообразование в ЖС включает стадии:

• полимеризации мономера с образованием на базе иона-октамера коллоидных частиц;

• роста сферических коллоидных частиц вследствие осаждения на их отрицательно заряженной поверхности ионов-мономеров;

• связывания коллоидных частиц сначала в разветвленные цепочки, затем в сетки, распространяющиеся на всю жидкую среду и уплотняющие ее в гель.

Основной показатель ЖС – силикатный модуль – определяется из выражений:

Для натриевого ЖС

Для калиевого ЖС

Для натриево-калиевого или калиево-натриевого ЖС

где SiO₂, Na₂O и K₂O - массовые доли (%) оксидов в ЖС.

Поскольку калиевые ЖС не имеют особых преимуществ как литейные связующие по сравнению с натриевыми ЖС, в литейном производстве используются менее дорогие и более доступные натриевые ЖС. Основные свойства натриевых ЖС, называемых содовыми, согласно ГОСТ 13078-81 приведены в табл. 1.

Основные свойства натриевых ЖС Таблица 1

Показатель	Норма для содового ЖС (для литейного производства)
Внешний вид	Густая жидкость желтого или серого цвета без механических включений и примесей, видимых невооруженным глазом
Мас. доля, %: SiO2 Na2O Fe2O3 и Al2O3, не более CaO, не более SO3, не более	30,8…31,9 11,0…12,1 0,25 0,20 0,15
Силикатный модуль, М	2,6…3,0
Плотность ρ, г/см3	1,47…1,52

ЖС обладает составом и плотностью, которые могут изменяться в относительно широком интервале в зависимости от требований используемого технологического процесса (табл. 2).

Требования технологических процессов к показателям М и ρ Таблица 2

Процесс (способ отверждения ЖС)	Тип отвердителя	Показатели ЖС
		М	ρ, г/см3, не менее
СО2-процесс	Углекислый газ	2,0…2,3	1,45
ЖСС (жидкие самотвердеющие смеси)	Материалы на основе двухкальциевых силикатов	2,7…3,1	1,32 (достигается при разбавлении исходного ЖС водой и ПАВ)
ПСС (пластичные самотвердеющие смеси)		2,7…3,1	1,45
ХТС (холоднотвердеющие смеси)	Жидкие отвердители (сложные эфиры)	2,3…2,5

К признакам химического состава натриевого (содового) ЖС относятся массовые доли (%) SiO₂, Nа₂О, силикатный модуль М, водосодержание W. Плотность ЖС ρ связана с указанными показателями и ими определяется. Массовые содержания SiO₂ и Nа₂О (%) устанавливаются методами химического анализа, регламентированными ГОСТ 13078-81, после чего расчетным путем определяются М (формула для его вычисления приведена выше) и W:

Плотность ЖС ρ определяется экспериментально с помощью ареометра или весовым методом (путем точного взвешивания единицы объема ЖС). Связь ρ с химическим составом ЖС видна из следующего выражения:

ЖС поступает к потребителю с М = 2,6...3,1. В литейной практике иногда возникает необходимость в снижении М ЖС, что достигается введением в него раствора едкого натра (каустической соды, каустика), расход которого определяют расчетным путем:

где Q_NaOH - расход водного раствора едкого натра, кг, на 100 кг ЖС; ρ - плотность исходного ЖС, кг/дм³; М₁ - модуль исходного ЖС; М₂ - заданный модуль ЖС (М₂ < М₁); С - концентрация водного раствора едкого натра, маc. доля (%).

Все смеси на Ж.С. можно разделить на 3 группы:

4. базовая жидкостекольная смесь

5. П.С.С. на жидком стекле.

6. Ж.С.С. на жидком стекле.

В зависимости от условий отверждения смеси жидкостекольные смеси бывают следующих типов.

Способ отверждения	Тип отвердителя	М	ρ, кг/м3
CO2 - процесс	Углекислый агах	2-2,3	1480-1520
ЖСС	Двукальциевые силикаты(Fe-Cr шлак, нефелиновый шлам, бихромат К, портландцемент, ферросилиций, полифосфаты, алюминаты и т.д.)	2,7-3,1	≥1360
ПСС	См. ЖСС	2,7-3,1	От 1420 и выше
ХТС	Жидкие отвердители, сложные органические эфиры(СОЭ), ацетат, этилен-гликоль(АЦЭГ), Комплексные порошкообразные металлофосфиты	2,3-2,5	≥1470

П.С.С. в жидкое состояние(Ж.С.С.) переведена с помощью пенообразующих ПАВ, с последующим затвердением за счет твердых порошкообразных отвердителей.

Наиболее используемые ПАВ:

- контакт Петрова

- лигносульфанаты технические(ЛСТ)

- ДС – РАС

Механизм отверждения жидкостекольных смесей может быть разным:

1. дегидратация, то есть обезвоживание смесей.

Метод дегидратации:

1. тепловая сушка

2. проветривание на воздухе(выстаивание). Образование геля от кремниевой кислоты, имеющего связующие свойства.

3. поверхностная сушка.

4. продувка воздухом (холодным или горячим) или другим газом

5. вакуумная экстракция

6. комбинирование перечисленных свойств.

2. продувка CO₂ при этом образование ортокремниевой кислоты происходит по следующему механизму.

Na₂O*2SiO₂*ad+CO₂+6H₂O=Na₂CO₃+2Si(OH)₄*ad+2H₂0

3. отверждение с образованием гетерополимеров, за счет взаимодействия СОЭ или твердыми реагентами типа двухкальциевых силикатов.

Расход CO₂ составляет от 0,5 до 1,5см³ на 1 см³ Ж.С. Содержание Ж.С. в смеси от 5 до 7% от массы песка. Время затвердевания жидкостекольных смесей с отвердителями 40-60 мин.

Сложные эфиры в составах СЭО для ЖС

Сложный эфир	Качественная характеристика по скорости взаимодействия с ЖС	Зарубежный аналог, в состав которого входит данный эфир
Этиленгликоль-моноацетат (ЭМА)	Очень быстрого действия (1 мин)	Серия Flodur (Польша)
Этиленгликоль-диацетат (ЭДА)	Медленного действия (45 мин)	Серия Flodur (Польша), Carset 555R (Англия) Carset 600 (Англия)
1,3-Глицерин-диацетат (1,3-диацетин)	Быстрого действия (3,5 – 4 мин)	Серия Carset 500 (Англия), Серия Esterol (Чехия), Серия Gisacodur (Германия)
Глицеринтриацетат (триацетин)	Очень медленного дествия (90 мин)
Пропиленкарбонат	Быстрого действия (4 – 6 мин)	Veloset (Англия)

Достоинства ЖСС на жидком стекле:

- отсутствие процессов уплотнения

- отсутствие операции сушки и высокого расхода энергоносителей

- высокая прочность формы

- высокая точность отливки

- небольшие припуски на механическую обработку

Недостатки ЖСС на ЖС.

- низкая живучесть смеси 5-7 минут.

Недостатки жидкостекольных смесей:

- низкая выбиваемость. Для повышения выбиваемости:

- используют органические добавки(древесная мука)

- введение органических связующих(смолы, АСТ)

- введение неорганических добавок(Оксид железа, оксид алюминия, глина)