Жидкое стекло: производство из стеклобоя и практическое применение

Жидкое стекло — востребованный и многофункциональный материал.

Используется в разнообразных сферах деятельности человека: от производства до прикладного искусства.

Интерес к жидкому стеклу объясняется еще и тем, что производить его можно из вторичного сырья – утилизированного боя стекла.

Рассмотрим, в чем особенности материала, как его производят и где используют.

Состав, свойства и сырьевые компоненты

В создании привычного нам твердого стекла участвуют три компонента:

• песок,
• вода,
• известняк.

Si + Na + Ca = стекло.

Если плавить только два, то получим двухкомпонентную стекловидную массу:

Si + Na  = жидкое стекло.

Жидкое стекло – обобщенное понятие для всех водных щелочных растворов силикатов.

В зависимости от задействованного щелочного катиона, оно подразделяется на:

• натриевое (Na),
• калиевое (K),
• литиевое (Li),
• с органическим основанием (например, аммонием),
• комбинированного и комплексного типа.

Если коротко, то жидкое стекло – это раствор на основе натриевых, калиевых или литиевых силикатов. Выпускают также смеси натриевого и калиевого силиката в разных пропорциях.

Внешне это тягучая, густая, напоминающая резину масса желтого, зеленого, серого цвета или бесцветная без видимых глазу примесей и включений, на воздухе затвердевает.

У данного технического продукта имеется еще одно название (торговое) — силикатный клей. Он может быть представлен в виде:

• силикатной глыбы (гранул);
• жидкого раствора;
• растворимого порошка.

Авторство изобретения жидкого стекла принадлежит немецкому профессору Иоганну Фуксу. Открытый им в 1818 году состав из щелочей и кремневой кислоты остается актуальным и в наши дни, изменились лишь технологии его получения.

Каждый вид данного продукта обладает своими особенностями. От этого зависят и области использования материала, которые рассмотрим ниже.

Характеристики и сферы применения

Жидкое стекло широко применяется в бытовой и промышленной сферах. Популярность материала обусловлена:

1. Высоким уровнем вяжущих свойств и проникающих способностей.
2. Повсеместной доступностью исходных составляющих (песка, соды, поташа, стеклобоя) и их дешевизной. Это делает и конечный продукт доступным и недорогим. Натриевое жидкое стекло стоит от 16 рублей за кг, калиевое — от 54 рублей за кг.
3. Отсутствием токсичности как при производстве (в том числе из вторсырья), так и в процессе использования. Жидкое стекло относят к категории «зеленой химии», ведь оно экологично и безопасно.
4. Абсолютной негорючестью, отсутствием выделения вредных веществ при воздействии высоких температур.
5. Низкой проводимостью тепла.
6. Возможностью использования в качестве растворимого кремнезема – в этой сфере природных аналогов нет.

Выдерживает высокие температуры ( до 1200^оС). Затвердевает жидкое стекло при температуре от 0^оС.

Жидкое стекло применяется в создании:

• силикагеля;
• катализаторов;
• адсорбентов;
• силиката свинца;
• метасиликата натрия;
• изготовлении белой сажи;
• текстильного смягчителя;
• цеолитов;
• кремнезоля;
• органосилоксанов и других веществ.

Кроме того, оно широко используется для производства:

• клеев;
• красок;
• огнезащитных, защитных, противопригарных, антикоррозийных, антибликовых покрытий;
• электродов;
• в качестве компонента для укрепления грунтовок;
• пропитывающих составов для дерева, бумаги, тканей, строительных изделий и других материалов;
• окускования руд.

Добавляя жидкое стекло к разнообразным материалам, можно повысить их:

• прочность;
• плотность;
• долговечность;
• устойчивость к истиранию;
• огнеупорные и водоотталкивающие свойства;
• химическую инертность;
• коррозионностойкость.

Кроме того, можно исключить появление плесени, грибка и гнили.

Основные технические характеристики:

• плотность;
• силикатный модуль;
• процентное содержание оксидов кремнезема и металла.

Силикатный модуль указывает на клеящую способность материала. Чем больше эта величина – тем выше способность. Наибольшим спросом пользуется продукт с модулем 2,6 – 3,6.

Замерзший раствор — мягкая, желеобразная, загустевшая масса, после оттаивания свойства возвращаются.

Может появиться осадок, не влияющий на качество.

К недостаткам материала относят:

• несовместимость с кирпичными поверхностями – происходит разрушение;
• хрупкость при использовании в чистом виде — необходимо сочетание с другими веществами;
• очень быстрое схватывание – цементная смесь с добавлением жидкого стекла в зависимости от концентрации последнего (2 – 10 %) начинает застывать в течение 5 – 50 минут);
• щелочной характер – работы следует проводить в защитной одежде; избегать попадания на кожу или в глаза.

Производство

В России в промышленных объемах выпускаются такие виды жидкого стекла:

• натриевое,
• калиевое,
• смешанного типа.

Производство регламентируется ГОСТами:

• 13078-81,
• 18958-71,
• ТУ 21-23-109-78,
• 21-23-109-73.

Другие виды производятся согласно временным стандартам предприятий и ТУ.

90 % общего объема выпуска растворимых силикатов приходится на натриевое жидкое стекло.

Основных технологий производства три, все они характеризуются высокими энергетическими затратами и применением сложного оборудования.

Но есть и еще одна, новая, которая отличается:

• простотой производства;
• использованием в качестве содержащего кремний сырья отходов стекла (стеклобоя).

Рассмотрим кратко каждую технологию.

Спекание смеси природного песка с технической содой

Изготовление стекла включает этапы:

• смешивание безводных компонентов;
• обжиг полученной смеси в печах при температуре, достигающей 1300°С;
• охлаждение сплавленных компонентов на движущемся транспортере до образования стекловидных кусков (силикатных глыб);
• помещение кусков в автоклав для их растворения паром под давлением, или дробление кусков до получения порошка, который затем растворяют в горячей воде.

Получение продукта путем обработки кремниевого сырья

Процесс получения включает:

• размол сырья в мельнице с вибратором;
• добавление гидроокиси натрия (калия, лития);
• размешивание кремнеземного сырья при температуре до 1000°С с насыщенным раствором щелочи; длительность — от 30 минут до 1,5 часа в автоклаве с вибратором.

Гидротермальный способ

Продукт получают, растворяя кремниевое сырье сильными щелочными растворами.

Такая технология является более упрощенной.

Нагревать компоненты до температуры, близкой к 1000°С, не требуется.

Нагрев будет проходить сам по себе за счет выделения тепла в результате щелочной реакции.

Новая технология – использование стеклобоя

Предварительно вторсырье подготавливают:

• моют;
• очищают от примесей;
• дробят.

Необходимо избавиться от оксидов кальция, магния, железа и других металлов, чтобы сырье было пригодно для дальнейшего использования.

После расплавления стеклянный бой превращается в силикатную глыбу – в таком виде сырье задействуется для изготовления конечного продукта.

Жидкое стекло в готовом виде получают в вибрационном смесителе в результате 0,5 – 1,5-часового взаимодействия смеси с водой, нагретой до температуры 100 °C.

Использование вторсырья положительно сказывается на качестве конечного продукта и одновременно решает проблему переработки стеклотары.

Переработка 10 % стеклобоя на 3 % снижает расход газа. Другими словами, если производить стекло исключительно из боя, то расход газа снизится на 30 % .

Природный газ является основным топливом, используемым в стекольной промышленности России.

Изготовление в домашних условиях

Сразу оговоримся, что это возможно лишь в том случае, если есть автоклав или тигель.

Рецепта два:

1. Растертая в ступке смесь песка и соды (безводного карбоната натрия) в пропорции 1:4 засыпается в хорошо разогретый тигель. Там она растворяется, образуя кремнекислый натрий. Запекать смесь нужно до полного расплавления. Образовавшийся кремнекислый натрий вынуть из печи и добавить горячую воду. Полученный раствор и будет жидким стеклом. Можно также кремнесодержащее сырье обработать в автоклаве концентрированным раствором гидроксида натрия.
2. Кремниевое сырье растворяют щелочью. Условия протекания процесса: нормальное атмосферное давление плюс температура кипения используемой щелочи (зависит от концентрации, для 0,05 %-ного раствора NaOH это 101,3 °C).

Что можно сделать из жидкого стекла?

Оценить достоинства материала, можно приготовив:

1. Огнестойкую пропитку для древесины:    25 г сульфата бария + 7 г окисида цинка + 20 мл воды + 25 г жидкого стекла + по желанию цветной минеральный краситель. Покрывать в два слоя.
2. Надежный клей: сахар + жидкое стекло + глицерин в пропорции 4:10:1.
3. Ремонтную смесь для каменных строений: цемент + жидкое стекло в пропорции 4:2. Места соединений предварительно рекомендуется смочить жидким стеклом.
4. Грунтовку: цемент + жидкое стекло в соотношении 1:1.
5. Гидроизоляционный раствор для обработки колодцев, бассейнов и других поверхностей: жидкое стекло + цемент + песок в пропорции 1:1:1.
6. Антисептический раствор: жидкое стекло + вода в соотношении 1:1.
7. Замазку: цинковые белила + асбест в пропорции 1:2 + жидкое стекло до образования густой пастообразной смеси.
8. Смесь для скрепления железа: двуокись марганца + цинковые белила + жидкое стекло (1:1 + необходимое для образования густой кашицы количество). Полученный состав выдерживает даже температуры каления.

Все материалы быстро затвердевают. Рекомендуется готовить их непосредственно перед использованием.

Сначала смешивают сухие составляющие, затем дополняют их жидкими компонентами.

Этот материал привлекает и творческих людей. Легко поддаваясь видоизменению, он дает возможность создания разнообразных декоративных изделий.

Часто жидкое стекло используют для декорирования поверхностей и закрепления различных декоративных элементов:

• бусин;
• ракушек;
• узоров.

Из него делают эксклюзивные вещи:

• заколки;
• броши;
• серьги;
• подвески;
• бусы.

Также используют для оформления картин, изготовления цветов, статуэток и ваз.

Полезное видео

В видео рассказывается о том, как использовать жидкое стекло в процессе ремонта.

Вывод

Жидкое стекло является универсальным материалом с широкими возможностями применения.

Выбирая средство, следует учитывать его состав:

1. Натриевая разновидность продукта имеет лучшие склеивающие свойства и эффективно соединяет и пропитывает изделия минерального характера, поэтому его лучше использовать для упрочнения фундамента и его гидроизоляции.
2. Калиевый вид стекла хорошо подойдет для защиты от агрессивного химического воздействия, поэтому его лучше применять для покрытия поверхностей.

Продукт доступен повсеместно, а цена его невысока.