УЛУЧШЕНИЯ СВОЙСТВ ИЗНОСОСТОЙКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ЖИДКОГО СТЕКЛА

АННОТАЦИЯ

В статье приводятся техническая характеристика жидкого стекла, основные показатели его получения и применения для продления срока службы стальных трубопроводов с помощью покрытия рабочих поверхностей.

ABSTRACT

The article presents the technical characteristics of liquid glass, the main indicators of its production and application for extending the service life of steel pipelines by coating working surfaces.

Ключевые слова: жидкое стекло, трубопроводы, пленка, износостойкость, покрытие, гидроабразивный износ.

Keywords: liquid glass, pipelines, film, wear resistance, coating, waterjet wear.

Жидкое стекло представляет собой водный раствор силиката натрия или калия. Химическая формула – сумма двух оксидов: Na₂O+SiO₂ или К₂О+SiO_2. Внешний вид представляет собой густую жидкость желтого или серого цвета без механических примесей и включений, видимых невооруженным глазом.

Жидкое натриевое стекло обладает высокой клейкостью, взаимодействует с минеральными материалами с образованием очень прочной структуры, обеспечивает прекрасную адгезию к минеральным подложкам. Получаемое покрытие превосходно сохраняет свои качества даже в экстремальных климатических условиях. Помимо высокой стойкости к воздействиям окружающей среды, жидкое натриевое стекло имеет хорошие грязеотталкивающие свойства. Это покрытие из жидкого стекла существенно замедляет коррозию [5].

Жидкое стекло изготавливается на стекольных заводах из мелкоразмолотого кварцевого песка (двуокиси кремния) и соды путем обжига в печи. Полученное стекло дробят и растворяют в воде. В продажу поступает как готовое жидкое стекло, так и сухое в виде порошка или глыбы. Жидкое стекло выпускается по стандарту ГОСТ 13078-81. Стекло натриевое жидкое (табл. 1).

Таблица 1.

Показатели натриевого жидкого стекла (по ГОСТу 13078-81)

Натриевые жидкие стекла обычно выпускают в пределах значений силикатного модуля от 2,0 до 3,6 при плотности растворов от 1,3 до 1,6 г/см³. Калиевые жидкие стекла характеризуются значениями силикатного модуля 2,8–4,0 при плотности 1,25–1,40 г/см³.

Областей применения жидкого стекла очень много. Чаще всего его применяют для изготовления кислотоупорного и гидроупорного цемента и бетона, для пропитывания тканей, приготовления огнеупорных красок и покрытий по дереву в качестве клея, для склеивания целлюлозных материалов, в производстве электродов, при очистке растительного и машинного масла и др.

В сочетании со спиртом и самым мелким песком используют для создания «керамических» или оболочковых форм, в которые после прокаливания до 1000 °C отливают металлические изделия.

Жидкое стекло используется в буровых растворах, образуя нерастворимые соединения (так называемая силикатизация поверхности).

Для повышения срока службы стальных трубопроводов в последнее время выдвигается предложение о покрытии рабочей поверхности труб износостойкими пленками, в частности на основе раствора жидкого стекла. Изучение устойчивости и прочности покрытой поверхности требует оборудования, знаний и навыков. Так, например, прочность толщины покрова можно выявить микротвердомером, измеряя размеры изделия до и после нанесения покрытия. Для получения точного результата замеры необходимо производить именно в тех местах, где были произведены замеры до нанесения покрытия. Малейшее изменение места замера может приводить к большим погрешностям. Толщина получаемого покрытия зависит от концентрации раствора, способа нанесения покрытия и подготовленности поверхности труб. Как известно, для закрепления раствора на поверхности трубы необходимо разместить в печи и выдержать ее в течение 4–6 часов при температуре 150 °С [3]. Вода, имеющаяся в составе жидкого стекла, под действием высокой температуры и времени испаряется. Образуется водостойкая и прочная пленка.

Стальные трубы, использующиеся в магистральных отопительных трассах, являются на сегодняшний день незаменимым сырьем. Они должны отвечать ряду требований, в частности по механической и температурной прочности. Также предусмотрена стойкость против коррозии. Практикой эксплуатационной службы установлено, что 78% случаев выхода из строя отопительных магистральных труб происходят из-за внутренних повреждений. Внутреннее повреждение случается вследствие коррозии и гидроабразивного изнашивания. А также выявленный срок службы таких трубопроводов достигает в среднем 12–15 лет. Замена таких трубопроводов требует больших трудовых и финансовых затрат. Поэтому увеличение срока службы отопительных, магистральных трубопроводов является очень значимой и актуальной задачей.

Для решения этого вопроса выдвигается ряд предложений. Одним из них считается покрытие внутренней поверхности труб дешевой, но прочной пленкой, которая должна образовать защиту поверхности. Предлагается специальный состав пленки на основе жидкого стекла.

В растворах жидкого стекла имеются силикаты со спектром от мономерного ортосиликата до высокомерных форм. Средний показатель полимеризации зависит от соотношения кремнекислоты и щелочи, а также от концентрации силикатного раствора. С повышением соотношения возрастает полимеризация кремнекислотных анионов, и вискозность раствора, соответственно, повышается.

Хотя термины «нейтральный» и «щелочной» широко употребительны в описании жидкого стекла, однако все растворы жидкого стекла реагируют на щелочь [1].

При пропускании в раствор жидкого стекла газообразных окислов – СO_2, SO₂ и т.д. – тотчас же происходит выпадение коллоидных объемистых осадков вследствие разложения щелочных силикатов стекла с выделением аморфного кремнезема.

Если примешать в растворимое жидкое стекло СаСO₃ и другие кислотные карбонаты, происходит затвердение, образуется пленка над поверхностью или происходит следующая реакция.

СaО + Н₂O = Сa(ОН)₂

Сa(ОН)₂ + Na₂О пSiO₂ = 2Naон + (п–1)SiO₃ + СаSiO₃.

Наиболее клейким раствором жидкого стекла является раствор с кремнеземистым модулем 3,0–3,3 и удельным весом 1,39–1,42 [5].

Плотность растворов жидкого стекла измеряется обычно аэрометром, который имеет градированную шкалу (кг/м³). При частом измерении плотности имеет смысл использовать прибор измерения плотности по принципу колебаний. Требующееся количество жидкого стекла (около 0,7 см³) и время достижения температурной константы у этих приборов крайне незначительны.

Рисунок 1. Зависимость плотности натриево-силикатных расплавов от состава при высоких температурах

Плотность зависит от концентрации раствора, температуры и соотношения кремнекислоты и щелочи. На практике измерение проводится при температуре, отклоняющейся от 20 °С. В этих случаях значение плотности корректируется следующим образом. Если температура раствора выше 20 °С, то значение должно повышаться приблизительно на 0,28 кг/м³ на каждый градус температурной разницы. Если же температура ниже 20 °C, то значение соответствующим образом понижается [6].

Сушка растворов жидкого стекла происходит как при обычных температурах, так и при повышенных. Затем процесс высыхания все более и более замедляется и, в конце концов, протекает еле заметно, хотя высушенная субстанция все еще содержит заметное количество воды. Последняя стадия осуществляется при температуре 350–400 °C. Скорость сушки и остаток воды растворов жидкого стекла при заданной температуре зависят от соотношения кремнекислоты и щелочи. Чем выше это соотношение, тем быстрее происходит сушка и тем меньше остаток воды в просушенном жидком стекле [4].

Натриевое жидкое стекло с соотношением 3,3 и содержанием твердого вещества 35%, напротив, мутнеет уже при –2 °C вследствие кристаллизации. Это приводит к тому, что на поверхность поднимаются кристаллы.

В заключение можно сделать вывод: вышеуказанные качества жидкого стекла дают предположение, что добавление в состав жидкого стекла порошка металла создаст прочно клеящий раствор. Для закрепления на поверхности металла применение такого специального состава для покрытия внутренней поверхности отопительных магистральных труб образует дополнительную тонкую и твердую пленку, вследствие чего продлится срок службы трубопроводов в 1,5–2 раза.

Список литературы:

1. Григорьев П.Н., Матвеев М.А. Растворимое стекло. – М. : Литература строительных материалов, 1956. – 434 с.
2. Корнеев В.И., Данилов В.В. Жидкое и растворимое стекло. – СПб. : Стройиздат, 1996. – 183 с.
3. Мамасалиева М.И. Расчет и выбор толщины износостойких покрытий стальных труб // Universum: Технические науки. – 2020. – № 3 (72).
4. Матвеев М.А. Растворимость стеклообразных силикатов натрия. – М. : Литература строительных материалов, 1957. – 96 с.
5. Махкамов К.Х., Алибоев Б.А. Ударно-гидроабразивное изнашивание : монография. – Ташкент : ТГТУ, 2012. – 96 с.
6. Эргашева З.К. Новое направление для применения жидкого стекла // Векторы развития современной науки. Материалы III Международной научно-практической конференции (г. Уфа, 29–30 января 2016 г.).