Лако-красочные материалы — производство

Жидкое стекло, пожалуй, самое распространенное в литейном производстве неорганическое связующее. Водные растворы сили­ката натрия относительно легко вспениваются и смеси на жидком стекле с помощью пенообразователей без труда могут быть пере­ведены в жидкое состояние.

В строительной практике самотвердеющие строительные рас­творы и бетоны специального назначения готовят на основе жид­кого стекла и кремнефтористого натрия Na2SiFe или нефелинового шлама, применяемых в качестве отвердителей. Нефелиновый шлам состоит в основном из двухкальциевого силиката 2Ca0-Si03 или C2S. Двухкальциевый силикат присутствует в больших коли­чествах также в феррохромовом шлаке — отходах ферросплав­ного производства. Пригодность использования феррохромового шлака для отверждения жидкостекольных формовочных смесей была показана в работах ЦНИИТмаша и Челябинского политех­нического института. Тем самым представляется возможным ре­шить вторую задачу, связанную с разработкой жидких самотвер­деющих смесей, — их самозатвердевание на воздухе.

Таким образом, предложенный [6; А. с. 131046, 201597 (СССР), Патенты 1342529, 87456 (Франция), 1085651 (Англия), выданные на имя М. А. Лясса и П. А. Борсука ] и рассматриваемый в настоя­щей работе принцип получения ЖСС основан на переводе смесей, в данном случае с жидкостекольным связующим, в подвижное со­стояние с помощью пенообразующих ПАВ, и последующем их самозатвердевании за счет использования двухкальциевого сили­ката или содержащих его материалов — феррохромового шлака, нефелинового шлама и др.

Типовой состав ЖСС на жидком стекле с феррохромовым шлаком (мае. ч.): 95—97 кварцевого песка, 3—5 феррохромового шлака, 6—7 жидкого стекла (М = 2,6—2,8; плотность 1,47— 1,50 г/см3), 1,5—2,0 воды, 0,1—0,15 пенообразователя ДС-РАС или 0,5 контакта Петрова с 0—0,15 мылонафта.

ЖСС характеризуются следующими основными свойствами: живучестью, оцениваемой чаще всего устойчивостью пены; про­должительностью твердения (до раскрытия стержневых ящиков); прочностью (обычно при сжатии), измеряемой через 1, 3 и 24 ч (или другие интервалы времени), и газопроницаемостью, опреде­ляемой через те же (или другие) промежутки времени.

Приведенный выше состав смеси имеет следующие свойства: живучесть (устойчивость пены) — 5—20 мин, продолжительность твердения 30—40 мин, прочность при сжатии через 1 ч составляет 2,5—5,5, через 24 ч — 8—13 кгс/см2, газопроницаемость через 1 ч равна 80—250, через 24 ч — 300—500.

Очевидно, что описанный выше принцип получения жидких самотвердеющих смесей имеет общий характер и может быть ис­пользован для разработки ЖСС на основе различных связующих материалов, способных отверждаться на воздухе тем или иным способом.

Для получения ЖСС в принципе пригодны основные разновид­ности известных и употребляемых в настоящее время органиче­ских и неорганических водорастворимых связующих.

Несмотря на то, что многие сильные пенообразователи способны придать смесям с разными связующими необходимую подвиж­ность, лишь очень ограниченное число ПАВ, как будет показано ниже, может обеспечить смесям требуемый комплекс технологи­ческих свойств.

Наиболее сложной задачей является выбор реагентов-отверди — телей и способов отверждения смесей на воздухе. Смесь не просто должна твердеть в заданное время, она должна иметь также опре­деленную живучесть, благодаря которой со смесью можно осуще­ствлять различные технологические операции, и достаточно вы­сокую прочность. Часто эти условия и требования взаимно исклю­чают друг друга. Тем не менее в большинстве случаев трудности, связанные с разработкой новых составов ЖСС, могут быть преодо­лены. Вопрос состоит лишь в том, насколько полученная смесь технологична, экономична и эффективна и, следовательно, при­годна для производства.

В подтверждение сказанного можно констатировать, что вскоре после разработки ЖСС на жидком стекле и двухкальциевом сили­кате и их производственного освоения многими институтами и предприятиями нашей страны, а также рядом зарубежных фирм была предложена большая гамма ЖСС на основе других связую­щих, в том числе несколько новых разновидностей смесей’на жид­ком стекле.

В ЦНИИТмаше разработаны следующие составы ЖСС:

1) с жидким стеклом и двухкальциевым силикатом, с ускори­телями и регуляторами твердения — гипсом, боратами, фосфорно­кислыми солями;

2) с жидким стеклом и цементом, с жидким стеклом и кремне — фтористоводородной кислотой;

3) с портландцементом, с ускорителями твердения — алюми­натом и карбонатом;

4) с фосфатным связующим — фосфорной кислотой, отверждае — мой окалиной;

5) с лигносульфонатами сульфитно-дрожжевой бражки (СДБ), твердеющими при взаимодействии с алюминатами натрия (алюминат — ный спек) и кальция (трехкальциевый алюминат ЗСаО-А1203);

6) с мочевиноформальдегидной и мочевинофурановой смолами, отверждаемыми ортофосфорной кислотой или сульфокислотой (кон­такт Петрова).

ВПКТИстройдормаш (г. Киев) предложены ЖСС или ОЖСС (органические жидкие самотвердеющие смеси) на основе лигно — сульфонатов СДБ, твердеющих под воздействием соединений ше­стивалентного хрома.

Московский автодорожный институт (МАДИ) разработал ЖСС на^’глиноземистом цементе с ускорителями твердения—хлористыми солями — и несколько других вариантов жидких кристаллогид — ратных смесей.

ЖСС, разработанные ВНИИлитмашем, содержат цементный клинкер и ускоритель твердения — оксизан, а также лигносуль — фонаты СДБ.

Интенсивные поиски новых составов ЖСС ведутся зарубеж­ными фирмами.

В Англии для самозатвердевання жидких смесей с жидким стек­лом предложено использовать несколько сортов цемента — низко­температурный портландцемент, сульфатостойкий цемент; при этом применяется жидкое стекло пониженного модуля.

Во Франции Техническим центром литейного производства рекламируется жидкая смесь с жидким стеклом (низкого модуля) и доменным шлаком.

В Италии Экспериментальный металлургический центр S. P.A. запатентовал жидкие смеси на основе глиноземистого цемента с ускорителем твердения хлористым литием и гипсом; в смесь может вводиться также фенольная или фенольно-резорциновая смола.

В Японии разработаны состав ЖСС на жидком стекле, отвер — ждаемых ферросилицием, а также цементные смеси с различными сортами цемента и ускорителями твердения, в частности полифос­фатами.

Краковским литейным институтом (ПНР) разработан так на­зываемый Синфло-процесс, основанный на использовании ЖСС с фурановыми смолами, отверждаемыми ортофосфорной кислотой с низким общим содержанием жидкой фазы.

В Англии разработан аналогичный процесс — способ «Су- пин-фло». Смесь со смоляным связующим разжижается специаль­ным катализатором — сульфокислотой.

Щецинским политехническим институтом (ПНР) предложены жидкие смеси на портландцементе с синтетическим активатором, содержащим натриевые соли.

Приведенный перечень ЖСС далеко не исчерпывает всех раз­работанных в нашей стране и за рубежом разновидностей ЖСС. Тем не менее он дает достаточно полное представление о многооб­разии предложенных смесей и трудности выбора какого-либо со­става ЖСС для практического использования.

Нами предпринята попытка классифицировать известные со­ставы ЖСС с целью их систематизации (табл. 1).

Из изложенного выше и представленной классификации сле­дует, что практически любая жидкая самотвердеющая смесь со­держит кроме наполнителя три основных компонента — связую­щее, отвердитель и пенообразующее поверхностно-активное ве­щество (ПАВ). Из связующих используются как органические, так и неорганические, преимущественно водорастворимые мате­риалы. Это вовсе не означает, что водонерастворимые связующие Для приготовления жидкой смеси не пригодны. Известны ПАВ, обладающие достаточно хорошей пенообразующей способностью в органических средах. Так, работами Е. Г. Дубяги показано, что в органических растворителях как ионогенные, так и неионо — генные синтетические ПАВ мылообразного характера (алкилсуль — Ф°нат, алкилбензолсульфонат и др.) позволяют получать пены,

Аналогичные водным пенам в условиях предельно малого сниже­ния поверхностного натяжения растворов (2—3 эрг/см2). Однако в данном случае для придания смеси необходимой подвижности потребуется повышенный расход жидкой составляющей, что мо­жет оказаться недостаточно экономичным по сравнению с обыч­ной пластичной или сыпучей смесью на том же связующем.

Отвердители выбирают в зависимости от природы и физико — химических свойств связующего. Они могут представлять собой различные реагенты в жидком или порошкообразном виде — окислители, гелеобразователи, катализаторы и т. п.

Для перевода смесей в жидкое состояние применяют ПАВ преимущественно анионактивного класса, обладающие повышен­ной пенообразующей способностью; некоторые представители ПАВ этого класса имеют умеренную, регулируемую устойчивость пены, что, как будет показано ниже, чрезвычайно важно для придания смесям требуемых технологических свойств. По зарубежным дан­ным, для приготовления жидких цементных смесей можно приме­нять также неионогенные и катионактивные ПАВ.

Для некоторых смесей, например цементных, деление компо­нентов на связующее и отвердитель чисто условно, поскольку один и тот же материал, цемент, сочетает в себе свойства как связую­щего, так и отвердителя, однако проявляет он это свое действие лишь в присутствии третьего компонента — воды, выполняющей роль растворителя. Так как вода в том или ином количестве присутствует в каждом составе ЖСС, она в приведенной класси­фикации не указана.

В некоторых разновидностях ЖСС отвердитель и пенообразо­ватель представлены одним и тем же компонентом. Примером мо­гут служить жидкие смоляные смеси, способные отверждаться сульфокислотами, являющимися одновременно н пенообразова­телями.

В смесях на основе лигносульфонатов СДБ сам связующий материал (лигносульфонат) в разбавленных растворах обладает умеренной пенообразующей способностью. Поэтому некоторые со­ставы ЖСС с лигносульфонатным связующим могут переводиться в жидкое состояние без участия специальных пенообразователей. Для описанных случаев в классификации (табл. 1) против неко­торых компонентов поставлены прочерки.

Помимо трех названных основных компонентов большинство ЖСС содержит различные добавки для регулирования и улучше­ния свойств смесей. Чаще всего назначение добавок сводится к ре­гулированию живучести и скорости твердения. Номенклатура при­меняемых для этой цели добавок и механизм действия некоторых из них будут рассмотрены в последующих главах.

Под прочими добавками подразумеваются добавки, вводимые, например, в жидкостекольные ЖСС для улучшения выбиваемости (органические — смолы, графит, каменноугольная пыль, и т. д.; неорганические — соединения алюминия, кальция и т. п. мате — Пиалы). Сюда же относятся добавки, повышающие пластичность, газопроницаемость, прочность смеси.

Нами не названы и не вошли в классификацию жидкие смеси, отверждаемые в нагр ваемой оснастке, например, смеси с поли­виниловым спиртом, позволяющие получать в горячих ящиках стержни различной сложности. Имеется опыт применения для этой цели и жидких жидкостекольных смесей. Стержневые ящики за­полняют жидкой смесью под небольшим давлением, а формы полу­чают в виде оболочек прессованием жидкой смеси в горячей ос­настке. Дать в приведенной классификации какие-либо общие характеристики технологических свойств смесей, например про­должительности твердения, прочности, — затруднительно. Из-за разнохарактерности составов, даже в пределах одной и той же группы отвердителей, диапазон изменения свойств смесей очень широк. Можно отметить лишь качественную характеристику вы- биваемости смесей для каждого связующего в отдельности. Все смеси с жидким стеклом имеют затрудненную выбиваемость; смеси с гидратационными вяжущими, типа цемента, характеризуются средней трудоемкостью выбивки; смеси с фосфатным связующим выбиваются легко; выбиваемость смесей с лигносульфонатами СДБ аналогична выбиваемости фосфатных смесей. Жидкие смеси с синтетическими смолами выбиваются очень легко.

Как уже отмечалось, предложено много составов ЖСС. Однако часть из них пока что так и не вышла из рамок лабораторных разработок; некоторые смеси имеют ограниченную область при­менения. Из всех известных составов ЖСС наибольшее распро­странение на заводах СССР и за рубежом получили смеси с жидким стеклом и двухкальциевым силикатом в виде феррохромового шлака, реже — нефелинового шлама. С применением этих смесей в настоящее время изготовляется не менее 90% литья от общего выпуска отливок по ЖСС.

Значительное число заводов применяют ЖСС на основе СДБ и соединений шестивалентного хрома. Одновременно наблюдается тенденция использования этих вариантов смесей не только в жид­ком, но и в пластичном или сыпучем виде. По отмеченным сообра­жениям в нашей работе основное внимание уделено рассмотрению жидких жидкостекольных смесей. Наряду с ними, для выявления общих закономерностей получения ЖСС, рассматриваются также жидкие смеси на основе других связующих материалов.