Огнеупорные ультралегковесные материалы

Применение в качестве связующего оксида кремния, подученного химическим осаждением из силикатов натрия.

Наиболее подходящей системой, удовлетворяющей всем требованиям, является система, основанная на взаимодействии силикатов натрия с кислотой с образованием SiО₂. В этой системе, как известно [97], при низких значениях рН кремнезем вначале полимеризируется до очень небольших дискретных частиц. Этот процесс сопровождается заметным повышением вязкости, что обусловлено связыванием большого количества воды с поверхности частиц. В дальнейшем, вязкость системы несколько понижается, и после начала процесса агрегации, поднимается снова. Помимо этого, образующиеся при взаимодействии силикатов с кислотами коллоидные частицы SiО₂ представляют собой весьма активные фазы, склонные к адсорбции на поверхности определенных подложек, Так в работе [98] указано на сильную адсорбцию частиц SiО₂ на поверхности L—оксида алюминия в диапазоне рН 3−4. Однако, в этих условиях адсорбции мономеров Si (ОН)₄ на поверхности не наблюдалось.

Мономер Si (ОН)₄ начинает интенсивно ионизироваться при рН > 7 с образованием силикат—ионов. Последние адсорбируются на поверхности L—оксида алюминия и могут образовывать типичную для силикатов связь со многими оксидами и гидроксидами.

Частицы образующегося при гидролизе силикатов оксида способны притягиваться и удерживаться на плоских поверхностях под действием тех же самых сил, которые вызывают притяжение или отталкивание между самими частицами. Основные положения теории адсорбции частиц SiO₂ рассмотрены в работе [99]. Аналогичным образом ведут себя частицы SiО₂ по отношений к различным видам стекол [100]. В работах [101−103] была измерена и показана значительная адгезия частиц SiO₂ к поверхности различных стекол.

Важнейшей характеристикой кремнеземистой системы, при использовании ее как связующего, является: время гелеобразования — время, за которое осуществляется золь-гель переход. Основная стадия в процессе образования геля — столкновение двух кремнеземных частиц, обладающих достаточно низким зарядом на поверхности. При вступлении таких частиц во взаимный контакт, между ними образуются силоксановые связи, необратимо удерживающие частицы вместе. Показано возрастание каталитического действия на процесс полимеризации гидроксил ионов с увеличением рН и уменьшения числа эффективных столкновений между частицами с повышением рН и с возрастанием заряда на частицах. Суммарным результатом одновременного действия всех этих факторов оказывается наибольшая скорость гелеобразования примерно при рН 5. Наблюдается также область временной стабильности при рН 1,5. Наличие электролитов в системе приводит к росту скорости гелеобразования.

Таким образом, подбирая такие режимы проведения процесса получения материалов, с использованием химически осажденного SiO₂, можно предотвратить перераспределение связующего в объеме образца материала.

Для реализации метода химического осаждения связующего на основе SiO₂ из растворов силикатов натрия, был предложен метод вакуумного формования [45,104−106]. Суть метода заключалась в том, что волокно наполнителя диспергировалось в водном растворе силиката натрия с отношением SiO₂/Na₂O = 2/3. Затем в систему вводилась кислота (Н₂SО₄ или НCl с концентрацией 0,5ч1 моль) для смещения рН раствора до значения рН<7. С учетом наличия определенной концентрации электролита в системе время гелеобразования подбиралось таким образом, чтобы оно составляло 10, 15 и 30 минут. За это время формировался из суспензии волокон фетр, из которого под вакуумом удалялся избыток раствора связующего, а оставшийся раствор распределялся равномерно в зоне контакта волокон. Образовавшиеся после завершения золь—гель перехода, капли жидкости связывают волокна в единый агрегат представляя собой участки твердого, достаточно прочного материала, особенно после термической обработки. рН осаждения выбрано таким образом, чтобы добиться максимальной адсорбции частиц золя на поверхности волокон.

Основываясь на предлагаемом методе, основным параметром, определяющим количество вводимого связующего, является концентрация SiО₂ в растворе силиката натрия, поскольку объем жидкой фазы в фетре после вакуумирования примерно постоянен. Представлена зависимость плотности формируемых материалов от концентрации SiO₂ при осаждении связки из раствора силиката натрия. Представленная зависимость носит строго линейный характер и, тем самым, подтверждает, сделанное выше, предположение. Полученные таким образом легковесные материалы представляют собой достаточно прочные волокнистые блоки.