Способ получения водных силикагелей, содержащих соединения бора и щелочного металла

 

Изобретение относится к получению водных силикагелей, содержащих соединения бора и щелочного металла, которые могут быть использованы при создании композиционных материалов, покрытий, клеев и т.д. Сущность изобретения заключается в ведении в гидрозоль кремнезема гидроксида щелочного металла, борной кислоты и/или ее соли в количествах, обеспечивающих молярное соотношение SiO₂: Ме₂О:В₂О₃:Н₂О=1:(0,04-0,3):(0,005-0,08):(1,5-6,5), при этом компоненты перемешивают при критерии Рейнольдса не выше 150 с последующей выдержкой образовавшейся полисиликатной системы при температуре 0-100^oС до образования пространственной гелеобразной структуры с прочностью (модулем Юнга) более 20•10³ Па. Согласно изобретению повышается прочность продукта до ~50•10³ Па при упрощении самого способа.

Изобретение относится к области получения водных силикагелей, содержащих соединения бора и щелочного металла, которые могут быть использованы при создании композиционных материалов, покрытий, клеев и т.д.

Гели кремнезема являются структурированными дисперсными системами, которые можно получить на основе коллоидного кремнезема путем введения различных добавок. В качестве коллоидного кремнезема чаще всего используют водорастворимые силикаты (жидкие стекла) или гидрозоли кремнезема, содержащие в своем составе плотные сферические частицы с размером от 5 до 50 нм. Водный коллоидный кремнезем имеет сложный характер зависимости от рН: наибольшая скорость гелеобразования приходится на рН≈5-6, а наибольшей стабильностью золи обладают в щелочной области. В присутствии посторонних примесей и, прежде всего, электролитов диапазон значений рН, при которых происходит образование геля, сдвигается в щелочную область. Наиболее часто получение гелей кремнезема проводят в кислой области путем введения минеральных кислот в таких количествах, чтобы обеспечить щелочность системы с рН<9,0. Переход золей в гели является основной стадией получения новых материалов с улучшенными свойствами (керамики, стекла, покрытий и др.), свойства которых во многом зависят от начальных условий проведения процесса (природы исходного кремнезема, подготовки вводимых и условий совмещения компонентов системы). В силу высокой реакционной способности кремнезема в щелочных средах особыми свойствами обладают силикагели на основе полисиликатных растворов, которые могут быть получены путем введения щелочных гидроксидов и других добавок в золи с плотными частицами. Для проведения этих процессов могут быть использованы как кислые золи, так и золи, стабилизированные небольшими добавками гидроксидов щелочных металлов или аммония. Одной из важнейших характеристик водных силикагелей является их прочность, которая может быть определена методами физико-химической механики, например, методом тангенциального смещения пластинки Вейлера-Ребиндера. В основе этого метода лежит определение деформации на сдвиг (γ_отн) при приложении к гелю напряжения Р (Па), что позволяет рассчитать величину модуля упругости - модуля Юнга (Е, Па). Расчет ведут на основе уравнения Гука: Е=Р/γ_отн.

Известен способ обработки водных силиказолей соединениями бора, например, борной кислотой, боратами щелочных металлов при рН ниже 8,5. По данному способу введение борсодержащих соединений не позволяет золь перевести в гелеобразное состояние (см. патент США 2630410, 03.03.1953 г., кл. 252-313).

Наиболее близким к заявленному способу является способ получения водных силикагелей, содержащих соединения бора и щелочного металла, путем введения борной кислоты в водный раствор силиката натрия при изменении рН системы. При этом борную кислоту вводили в качестве добавки. Необходимое значение рН для ускорения гелеобразования силиката натрия устанавливали введением определенного количества соляной кислоты (см. Н.А. Шабанова, И.В. Силос, Е.В. Голубева, Е.А. Коновалов, А.П. Захаров, Закономерности влияния минеральных кислот на кинетику гелеобразования в коллоидном кремнеземе, Коллоидный журнал, 1993, т. 55, 1, с. 145-151).

Недостатком известного способа является то, что полученные гели являются хрупкими, а это в свою очередь не позволяет достичь значений их прочности, близких к значениям прочности твердых тел. Кроме того, использование соляной кислоты ухудшает условия труда и удорожает процесс.

Настоящее изобретение направлено на получение гелей с высокой прочностью, а также на упрощение процесса за счет исключения использования минеральных кислот, в частности, соляной.

Поставленная задача достигается способом получения водного силикагеля, содержащего соединения бора и щелочного металла, путем введения в гидрозоль кремнезема гидроксида щелочного металла, борной кислоты и/или ее соли в количествах, обеспечивающих молярное соотношение SiО₂: Me₂O: В₂О₃: Н₂O= 1: (0,04÷0,3): (0,005÷0,08): (1,5: 6,5), компоненты перемешивают при критерии Рейнольдса не выше 150 с последующей выдержкой образовавшейся полисиликатной системы при температуре 0-100^oC до образования пространственной гелеобразной структуры с прочностью (модуль Юнга) более 20 000 Па.

Заявленное изобретение проиллюстрировано следующими примерами.

Пример 1 В 100 мл гидрозоля кремнезема с концентрацией SiO₂ 41 мас.%, имеющего рН 9,5, добавляют 29 мл раствора КОН, имеющего концентрацию 56 мас.% и 7,42 г борной кислоты. Композицию готовят при перемешивании при скорости мешалки 50 об/мин (число Рейнольдса не более 150) в течение 30 мин. Полученную смесь выдерживают при температуре 25^oС в течение 10 час. Полученный гель имеет молярное соотношение компонентов SiО₂:К₂О:В₂О₃:Н₂О=1:0,25:0,08:6,0. Прочность геля составляет 50•10³ Па.

Пример 2 В гидрозоль кремнезема с параметрами, описанными в примере 1, добавляют 9,88 г КОН в виде 56 мас.% раствора и 2,65 г борной кислоты. Смешение компонентов системы проводят при перемешивании со скоростью мешалки 50 об/мин в течение 10 мин. Смесь выдерживают при 100^oС в течение 15 мин. Полученный гель имеет мольное соотношение компонентов SiО₂:K₂O:В₂О₃:Н₂О=1:0,1:0,02:5,3. Прочность геля (модуль Юнга) составляет 45•10³ Па.

Пример 3 В гидрозоль крмнезема с параметрами, описанными в примере 1, добавляют 24 г NaOH в виде 50% водного раствора и 0,53 г борной кислоты при перемешивании (Re<150) в течение 30 мин. Полученный раствор, имеющий мольное соотношение компонентов SiО₂:Na₂О:B₂О₃:Н₂О=1:0,3:0,005:6,5, выдерживают при 50^oС в течение 15 час. Прочность полученного геля составляет 25•10³ Па.

Пример 4 В гидрозоль кремнезема с параметрами, описанными в примере 1, вводят 1,73 г LiOH в виде водного раствора и 5,3 г борной кислоты при перемешивании (Re<150). Смесь выдерживают при 0^oС в течение 60 час. Прочность геля, имеющего мольное соотношение компонентов SiO₂:Li₂О:В₂О₃:Н₂О=1:0,04:0,04:0,1,5 составляет 30•10³ Па.

Пример 5 В гидрозоль кремнезема с параметрами, описанными в примере 1, добавляют при перемешивании (Re<150) 24 г NaOH в виде 50% водного раствора и 0,05 г борной кислоты. Полученный раствор, имеющий мольное соотношение компонентов SiО₂:Na₂О:B₂О₃:Н₂О=1:0,3:0,005:6,5, выдерживают при температуре 75^oС в течение 30 мин. Прочность геля составляет 25•10³ Па.

Пример 6 В гидрозоль кремнезема с параметрами, описанными в примере 1, добавляют при перемешивании 24,7 г КОН в виде 56% водного раствора и 53 г тетрабората натрия. Полученный раствор, имеющий соотношение SiO₂:К₂О:B₂О₃:Н₂О=1:0,25: 0,02: 6,0, выдерживают в течение 26 час при 35^oС. Прочность геля (модуль Юнга) составляет 30•10³ Па.

Дополнительным преимуществом предлагаемого способа получения силикагелей является использование гидрозолей кремнезема, которые обладают высокой агрегативной устойчивостью, что обеспечивает условия равномерного распределения вводимых компонентов при их смешении, однородной структуре образующихся полисиликатов и гелей на их основе.

Формула изобретения

Способ получения водного силикагеля, содержащего соединения бора и щелочного металла, из смеси гидрозоля кремнезема, соединения бора и соединения щелочного металла, отличающийся тем, что в гидрозоль кремнезема вводят гидроксид щелочного металла, борную кислоту и/или ее соль в количествах, обеспечивающих молярное соотношение SiO₂: Ме₂О: В₂О₃: Н₂О= 1: (0,04-0,3): (0,005-0,08): (1,5-6,5), компоненты перемешивают при критерии Рейнольдса не выше 150 с последующей выдержкой образовавшейся полисиликатной системы при температуре 0-100^oС до образования пространственной гелеобразной структуры с прочностью (модулем Юнга) более 20•10³ Па.