РОЗДІЛ 2
ОБ'ЄКТИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ
2.1. Теоретичні засади вибору компонентів покриттів
Детальний аналіз літературних даних засвідчив і дозволяє стверджувати, що розробку складів функціональних склопокрить з розчинів найбільш доцільно здійснювати в системі на основі SiO2. Такі склопокриття близькі за природою і властивостями до силікатних емалей, проте характеризуються значними перевагами при виборі способу нанесення сировинної суміші та закріплення на підкладі.
Основним компонентом силікатних колоїдних розчинів є силіцієва кислота Si(OH)4 .
Силіцієву кислоту в розчинах отримано двома способами. Перший - гідролізом тетраетилового ефіру ортосиліцієвої кислоти (ТЕОС) з отриманням кінцевого продукту, рН якого ?2, що робить одержані розчини стійкими до гелеутворення. При цьому створюється необмежена можливість одержувати багатокомпонентні розчини для синтезу скла з широким спектром експлуатаційних властивостей.
Другий спосіб - використання водних розчинів силікатів літію, натрію та калію - дешевих і поширених в промисловості продуктів. Одержані водні розчини високолужні, в яких рН лежить в межах 11,5 - 13. Створення багатоваріантного модифікування силікатних розчинів на цій основі ускладнюється через гелеутворення або випадання осаду в вигляді нерозчинних силікатів. Однак, в багатьох випадках, явище гелеутворення сприймається позитивно з точки зору використання гелів для подальшого синтезу скла.
В обох випадках при ускладненні розчину за рахунок додавання солей металів І - У груп в кінцевому рахунку можна одержувати активовану сировинну суміш з різною температурою топлення. Слід особливо відмітити широкий діапазон значень ТКЛР одержаного скла, що дозволяє використовувати їх як покриття для кераміки, скла та металів.
Особливе місце займають оксиди лужних металів, комбінуючи якими можна в широких межах змінювати температуру формування покриття та основні його експлуатаційні властивості. Слід відмітити широкий діапазон значень ТКЛР одержаного скла, що дозволяє використовувати його як покриття для кераміки, скла і металів.
Промислові поліфункціональні склопокриття містять до 70 мас. % SiO2 , що дозволяє експлуатувати їх в умовах високих температур і хімічної корозії. Таким чином основою для синтезу покрить промислового застосування є система SiO2. Визнаючи всі чинники фізико-хімії та технології скла, впливу хімічного складу на властивості скла необхідно здійснити багатоваріантне модифікування вибраної системи оксидами R+ (Li, Na, K), R2+ (Mg, Ca, Ba), R3+ (Al, B), R4+ (Ti, Zr), R5+ (P). В кожному конкретному випадку проблематичним є вибір силіційвмісного водорозчинного компоненту.
Властивості скла залежать від сили поля катіону, яка зменшується в ряду Li+>Na+>K+. Літійове скло характеризується більшою густиною, мікротвердістю і найменшим ТКЛР в порівнянні з натрійовим і калійовим склом [147].
Оксид літію (Li2O) - ефективний топник. Введення його в склад скла дозволяє поєднувати значну водо- і кислотостійкість з високим ТКЛР і легкотопкістю. Li2O в певній мірі підвищує кристалізаційну здатність скла, а в поєднанні з К2О створює "нейтралізаційний ефект", зменшуючи електропровідність.
Оксид натрію (Na2O) - найбільш поширений лужний оксид, що вводять в склад скла при варінні. Разом із зменшенням в'язкості, хімічної стійкості підвищує ТКЛР скла.
Оксид калію (К2О) - в найбільший мірі зменшує в'язкість і температуру топлення шихти, підвищує ТКЛР. Калійововмісне скло не кристалізується, має підвищений показник заломлення, якісно забарвлюється в чисті тони.
Вплив двохвалентних катіонів R2+ на вказані властивості залежать від їх розмірно-енергетичних характеристик. При заміні одного катіону R2+ на інший змінюється тип основних структурних угрупувань, присутніх в склі, ступінь диференціації структури, наслідком чого є зміна фізико-хімічних властивостей матеріалу. Зміною виду і кількості введених в склад силікатного скла катіонів R2+ можна регулювати показники їх фізико-хімічних властивостей в широких межах і отримувати матеріали з комплексом заданих властивостей. Оксиди MgO, CaO, BaO підвищують хімічну стійкість, механічні властивості скла. Із збільшенням іонного радіусу R2+ в ряду Mg2+>Ca2+>Ba2+ зростають діелектричні властивості та схильність скла до кристалізації.
Оксид бору (В2О3) - розширює температурний інтервал формування покриття, підвищує термомеханічні властивості скла. Крім цього, В2О3 є поверхневоактивним оксидом і має здатність нагромаджуватись у вигляді активних груп [BO3]3-. Широко використовують при виробництві емалей і полив.
Оксид алюмінію (АІ2О3) - підвищує механічні властивості та хімічну стійкість скла. В залежності від концентрації в складі скла може перебувати в координації 4 і 6, що зумовлює його вплив на властивості.
Оксид титану (ТіО2) - інтенсивний барвник та ініціатор кристалізації, збільшує показник заломлення, надає склу напівпровідникові властивості.
Оксид цирконію (ZrO2) - хороший глушник, збільшує показник заломлення, особливо ефективно підвищує хімічну стійкість скла по відношенню до всіх реагентів.
Оксид фосфору (Р2О5) - знижує температуру пом'якшення скла та збільшує його ТКЛР. Фосфатне скло порівняно з силікатним має нижчу хімічну стійкість. Яскраво виражений глушник. В силікатному склі утворює змішану силікофосфатну матрицю.
Детальний аналіз впливу окремих оксидів на властивості скла дозволив розробити систему прогнозування вибору хімічного складу колоїдних розчинів в залежності від силіційвмісного компоненту для створення склоподібних та склокристалічних покрить для скла, кераміки, металів.
На рис. 2.1 і 2.2 зображені схеми вибору хімічного складу покрить найбільшого промислового використання на основі гідролізату ТЕОС та рідкого скла.
2.2. Обє'кти досліджень
2.2.1. Приготування колоїдного розчину силіцієвої кислоти
Сировиною для введення SiO2 при синтезі склопокрить з розчинів в системі R2O-RO-S