Лако-красочные материалы — производство

Сухой кварцевый песок, состоящий из крупных однородных зерен, сам по себе обладает высокой текучестью или сыпучестью. Текучесть такой системы будет определяться силами трения между отдельными зернами песка или коэффициентом внутрен­него трения. При неоднородном зерновом составе и неправильной форме зерен на сыпучесть сухой песчаной смеси существенное влия­ние будет оказывать шероховатость и угловатость зерен, так назы­ваемое зубообразное зацепление отдельных частиц смеси при кон­такте друг с другом.

Чистый кварц SiOz легко смачивается водой, так как на его поверхности находятся ионы Si—О—Si со свободными валентно­стями. В результате ионного взаимодействия дипольные молекулы воды прикрепляются к поверхности кварца, образуя на поверх­ности зерен водную оболочку. Так как при хранении и применении кварцевый песок подвергается воздействию влаги, поверхность его зерен может быть в той или иной степени гидрофилизована. Тол­щина образующейся водной пленки по сравнению с размерами зерен очень мала и, по данным Б. В. Дерягина, составляет около 5 -10-6 см. Естественно, что водная пленка такой толщины не мо­жет сгладить влияние шероховатости зерен на текучесть смеси. Более того, из-за действия сил поверхностного натяжения обра­зовавшиеся пленки будут увеличивать силы сцепления между твердыми частицами в точках их контакта, что приведет к ухуд­шению текучести. По мере увеличения водной фазы в системе силы поверхностного натяжения могут получать дальнейшее развитие за счет возрастания поверхности соприкосновения ‘между* водными оболочками нескольких зерен, оказывая препятствия перемещению зерен относительно друг друга. И лишь при значительном оводне-

3*

Нии смеси, по мере ее приближения к двухфазной системе песок— вода, текучесть начинает повышаться. Введение в трехфазную си­стему песок — водный раствор связующего (или вода) — воздух поверхностно-активных веществ существенным образом изменяет ее физические свойства.

Дифильные молекулы ПАВ адсорбируются на поверхности раздела раствор — воздух, ориентируясь своей активной поляр­ной группой в воду, а углеводородной частью — в воздух, тем самым в сильной степени снижая поверхностное натяжение раствора. Наряду с этим ПАВ адсорбируются также на твердых поверхностях раздела, придавая им гидрофобизующие свойства. Более того, одно и то же ПАВ может оказывать как то, так и другое действие в зависимости от его концентрации и условий примене­ния.

Изучение адсорбции ПАВ на поверхности твердых фаз (см. табл. 9) показало, что практически все порошкообразные компо­ненты смеси адсорбируют и ДС-РАС, и контакт Петрова, причем суммарная величина адсорбции на твердых фазах гораздо больше адсорбции на поверхности вспененной жидкой фазы. Если исхо­дить из того, что поверхность кварца покрыта водной пленкой, молекулы анионактивных ПАВ при адсорбции будут ориентиро­ваться полярными группами в сторону оводненной твердой по­верхности, а углеводородными радикалами — наружу. Песчаная основа смеси будет в определенной степени гидрофобизироваться, что не может способствовать улучшению текучести смеси.

С увеличением в смеси ПАВ процесс адсорбции на поверхности песчаных зерен может продолжаться и после насыщения адсорб­ционного слоя, вследствие чего возможно образование второго слоя молекул ПАВ, внешняя граница которого будет состоять из по­лярных групп молекул, обусловливающих гидрофилизацию по­верхности (рис. 26, а), и образование вокруг твердой частицы вод­ной пленки, что должно способствовать улучшению текучести.

Известно, что поверхность кварца заряжена электроотрица­тельно и если условия для образования водной пленки на поверх­ности зерен отсутствуют, адсорбция на них анионактивных ПАВ происходит по-иному. Заряженные отрицательно гидрофильные группы анионактивных ПАВ будут отталкиваться от электроотри­цательной поверхности кварца (ориентируясь так, как показано на рис. 26, б), гидрофилизуя поверхность кварцевых зерен.

В то же время адсорбция ПАВ на поверхности раздела жид­кость—воздух, снижая поверхностное натяжение раствора, при­ведет к существенному уменьшению сил связи между твердыми частицами, разделенными водными пленками. Текучесть смеси при этом будет улучшаться. О повышении текучести при низком содержании ПАВ можно судить по начальному ходу кривой / и снижению пластической прочности смеси Рт (см. рис. 14). Улуч­шение текучести объясняется снижением поверхностного натяже­ния жидкой составляющей и межфазного натяжения на границе песок — жидкость, приводящих к ослаблению действия капилляр­ных сил в соответствии с формулой р = •

Одновременно резкое снижение поверхностного натяжения жидкой фазы приводит к частичному образованию пены и возду — хововлечению в смесь при ее приготовлении. Поэтому для пено — образующих ПАВ текучесть будет улучшаться также за счет до­полнительного воздухововлечения. В данном случае речь идет о повышении текучести обычных пластично-вязких формовочных смесей при малом содержании ПАВ.

По мере повышения содержания пенообразователя и развития в смеси процессов пенообразования, о чем свидетельствует возрас­тание пористости, подвижность смеси быстро увеличивается и при

Необходимом количестве ПАВ наступает качественный и количест­венный скачок всех ее свойств. Из тех же данных (см. рис. 14) видно, что текучесть смеси тем выше, чем больше объем воздухо­вовлечения, характеризуемый величиной остаточной пористости.

Образование пены в объеме смеси за счет вовлечения в нее боль­шого количества пузырьков воздуха оказывает примерно такое же влияние на текучесть, как и увеличение общего количества жидкой
фазы в системе. Возникшие при перемешивании смеси пузырьки пены располагаются между зернами псска (рис. 26, е), разобщают их, снижая тем самым трение между песчинками и сводя до мини­мума влияние шероховатости и «зубообразного» зацепления и об­легчая скольжение песчинок относительно друг друга. Когда про­странство между зернами заполнится пузырьками пены, смесь ста­новится жидкой, подвижной. Структура жидкой смеси сразу после приготовления показана на рис. 27.

Мы рассмотрели механизм формирования текучести смеси с од­ним кварцевым песком без отвердителя. По своим свойствам и ха­рактеру адсорбции отвердитель, в данном случае двухкальциевый силикат, существенно отличается от кварцевого песка.

Принято считать, что частицы портландцемента, состоящие из кальцийсодержащих минеральных фаз (3Ca0-Si02; 2Ca0-Si02; ЗСа0-А1203 и др.), заряжены электроположительно. По аналогии можно предположить, что и частицы отвердителя жидкостеколь­ных смесей, содержащего в основном 2Ca0-Si02, также заряжены положительно. Кроме того, от двухкальциевого силиката в водной среде могут отщепляться положительно заряженные ионы кальция

И адсорбироваться на элек­троотрицательной поверх­ности кварца, изменяя ее заряд. Поэтому анионак­тивные вещества своей от­рицательно заряженной полярной группой будут притягиваться к электро­положительным частицам отвердителя, гидрофоби — зируя их поверхность (рис. 26, в). Вследствие этого частицы могут сли­паться.

Здесь также возможно образование двойного ад­сорбционного слоя вокруг одной или группы частиц, придающего им гидро — филизующее свойство (рис. 26, д). Однако, по

Нашему мнению, независимо от того, гидрофилизированы или гидрофобизованы частицы твердой фазы смеси, решающее влияние на перевод последней в подвижное состояние оказывает процесс ценообразования. Естественно, что гидрофилизация частиц долж­на улучшать текучесть и исключать их агрегирование. В этом смысле с целью гидрофилизации частиц двухкальциевого силиката, казалось бы, более выгодно применять катионактивные ПАВ, ко­торые будут ориентироваться полярными группами наружу
(рис. 26, г) однако из-за низкой пенообразующей способности они не дают возможности получить жидкую смесь с удовлетворитель­ной текучестью.

Гидрофобизирующее действие анионактивных ПАВ должго быть более ярко выражено в цементных смесях, где содержанге вяжущего (портландцемента) и его удельная поверхность значи­тельно выше, чем отвердителя в составе жидкостекольиых смесей. Тем не менее анионактивные ПАВ (ДС-РАС и контакт Петрова) легко переводят цементные смеси в жидкое состояние благодаря своей высокой пенообразующей способности. Для цементных сме­сей, вероятно, более перспективно применение неионогепных пено — образующих ПАВ, молекулы которых неспособны к диссоциации и образованию заряженных частиц. Возможно также использова­ние неионогенных ПАВ совместно с ионогенными. Адсорбция не- ионогенных ПАВ из водных растворов. превращает гидрофобные поверхности в гидрофильные.

Применение в составе цементных смесей типичного представи­теля гидрофилизующих добавок — лигносульфонатов СДБ вызы­вает оводнение поверхности частиц цемента и наполнителя, а также пептизацию цементной составляющей смеси. Поверхность твердых частиц оказывается покрытой адсорбционной гидратной оболочкой, тем не менее смесь не приобретает при этом хорошей подвижности. Она появляется лишь в тех случаях, когда в системе тем или иным способом создаются благоприятные условия для пенообразования. Следовательно, образование адсорбционных ги — дратных слоев в наших системах — в смесях с низкой общей влажностью — не может оказать ощутимого влияния на перевод смесей в подвижное состояние. Все это еще раз убедительно свиде­тельствует о том, что для перевода формовочных смесей в жидкое состояние необходимо применять ПАВ с высокой пенообразующей способностью, вызывающее в процессе перемешивания смеси ин­тенсивное воздухововлечение.