Natriumsilicat - Sodium silicate
Natriumsilicat er et generisk navn for kemiske forbindelser med formlen Na
2 xSi
yO
2 y + xeller (Na
2O)
x· (SiO
2)
y, såsom natriummetasilikat Na
2SiO
3, Natrium orthosilicat Na
4SiO
4og natriumpyrosilicat Na
6Si
2O
7. Anionerne er ofte polymere . Disse forbindelser er generelt farveløse gennemsigtige faste stoffer eller hvide pulvere og opløselige i vand i forskellige mængder.
Natriumsilicat er også den tekniske og fælles betegnelse for en blanding af sådanne forbindelser, især den metasilicat, også kaldet vandglas , vandglas , eller flydende glas . Produktet har en lang række anvendelser, herunder formulering af cement , passiv brandbeskyttelse , tekstil- og tømmerforarbejdning, fremstilling af ildfast keramik, som klæbemidler og til fremstilling af silicagel . Det kommercielle produkt, der fås i vandopløsning eller i fast form, er ofte grønligt eller blåt på grund af tilstedeværelsen af jernholdige urenheder.
I industrien er de forskellige kvaliteter af natriumsilicat karakteriseret ved deres SiO 2 : Na 2 O vægtforhold (som kan omdannes til molforhold ved multiplikation med 1,032). Forholdet kan variere mellem 1: 2 og 3,75: 1. Karakterer med forhold under 2,85: 1 betegnes alkaliske. Dem med en højere SiO 2 : Na 2 -forhold er beskrevet som neutral.
Historie
Opløselige silikater af alkalimetaller (natrium eller kalium ) blev observeret af europæiske alkymister allerede i 1500'erne. Giambattista della Porta observerede i 1567, at tartari salis (fløde af tandsten, kaliumhydrogentartrat ) fik pulveriseret krystallum (kvarts) til at smelte ved en lavere temperatur. Andre mulige tidlige referencer til alkalisilicater blev foretaget af Basil Valentine i 1520 og af Agricola i 1550. Omkring 1640 rapporterede Jean Baptist van Helmont dannelsen af alkalisilicater som et opløseligt stof fremstillet ved smeltning af sand med overskydende alkali og observerede, at silica kunne præcipiteres kvantitativt ved at tilsætte syre til opløsningen .
I 1646 lavede Glauber kaliumsilicat , som han kaldte liquor silicium ved at smelte kaliumcarbonat (opnået ved calcinering af tandsten) og sand i en digel og holde det smeltet, indtil det ophørte med at boble (på grund af frigivelse af kuldioxid ). Blandingen fik lov til at afkøle og blev derefter formalet til et fint pulver. Når pulveret blev udsat for fugtig luft, dannede det gradvist en tyktflydende væske, som Glauber kaldte " Oleum oder Liquor Silicum, Arenæ, vel Crystallorum " (dvs. olie eller opløsning af silica, sand eller kvartskrystal).
Imidlertid blev det senere hævdet, at stofferne fremstillet af disse alkymister ikke var vandglas, som det forstås i dag. Det ville have været udarbejdet i 1818 af Johann Nepomuk von Fuchs ved at behandle kiselsyre med en alkali; resultatet er opløseligt i vand, "men ikke påvirket af atmosfæriske ændringer".
Udtrykkene "vandglas" og "opløseligt glas" blev brugt af Leopold Wolff i 1846, af Émile Kopp i 1857 og af Hermann Krätzer i 1887.
I 1892 udmærkede Rudolf Von Wagner sodavand , kalium , dobbelt (sodavand og kalium) og fastgørelse (dvs. stabilisering) som typer af vandglas. Fixeringstypen var "en blanding af siliciumdioxid godt mættet med kaliumvandsklasglas og et natriumsilicat", der blev brugt til at stabilisere uorganiske vandfarvepigmenter på cementarbejde til udendørs skilte og vægmalerier.
Ejendomme
Natriumsilikater er farveløse glasagtige eller krystallinske faste stoffer eller hvide pulvere. Bortset fra de mest siliciumrige er de letopløselige i vand og producerer alkaliske opløsninger.
Natriumsilikater er stabile i neutrale og alkaliske opløsninger. I sure opløsninger er de silikat ionerne reagerer med hydrogenioner til dannelse kiselsyrer , som har tendens til at dekomponere i hydratiseret siliciumdioxid gel . Opvarmet til at drive vandet af, resultatet er et hårdt gennemskinneligt stof kaldet silicagel , meget udbredt som tørremiddel . Det kan modstå temperaturer op til 1100 ° C.
Produktion
Opløsninger af natriumsilikater kan fremstilles ved behandling af en blanding af silica (normalt som kvartssand ), kaustisk soda og vand med varm damp i en reaktor . Den samlede reaktion er
- 2 x NaOH + SiO
2→ (Na
2O)
x· SiO
2+ x H
2O
Natriumsilicater kan også opnås ved opløsning af silica SiO
2(hvis smeltepunkt er 1713 ° C) i smeltet natriumcarbonat (der smelter ved nedbrydning ved 851 ° C):
-
x Na
2CO
3+ SiO
2→ (Na
2O)
x· SiO
2+ CO
2
Materialet kan også fås fra natriumsulfat (smeltepunkt 884 ° C) med carbon som reduktionsmiddel:
- 2 x Na
2SÅ
4+ C + 2 SiO
2→ 2 (Na
2O)
x· SiO
2+ 2 SO
2+ CO
2
I 1990 blev der produceret 4 millioner tons alkalimetalsilicater.
Anvendelser
De vigtigste anvendelser af natriumsilikater er rengøringsmidler, papir, vandbehandling og byggematerialer.
ingeniørarbejde
Klæbemiddel
Den største anvendelse af natriumsilikatopløsninger er en cement til fremstilling af pap. Når den bruges som papirkement, er tendensen, at natriumsilicatforbindelsen til sidst revner inden for få år, hvorefter den ikke længere holder papiroverfladerne cementerede sammen.
Natriumsilicatopløsninger kan også bruges som et spin-on klæbende lag til at binde glas til glas eller siliciumoxiddækkede siliciumplader til hinanden. Natriumsilicatglas-til-glasbinding har den fordel, at det er en limningsteknik ved lave temperaturer, i modsætning til fusionsbinding. Det er også mindre bearbejdningsintensivt end glas-til-glas anodisk binding, hvilket kræver, at et mellemlag som SiN fungerer som en diffusionsbarriere for natriumioner. Aflejring af et sådant lag kræver et lavtryks kemisk dampaflejringstrin. En ulempe ved natriumsilicatbinding er imidlertid, at det er meget vanskeligt at fjerne luftbobler. Dette skyldes delvist, fordi denne bindingsteknik ikke kræver binding i vakuum, og den bruger heller ikke feltassistance som ved anodisk binding. Selvom denne mangel på felthjælp undertiden kan være gavnlig, fordi felthjælp kan give en så høj tiltrækning mellem skiver, at den bøjer en tyndere skive og falder sammen på det nanofluidiske hulrum eller MEMS -elementer.
Borevæsker
Natriumsilicat bruges ofte i borevæsker til stabilisering af borehulsvægge og for at undgå sammenbrud af borevægge. Det er især nyttigt, når borehuller passerer gennem argillaceous formationer, der indeholder kvældende lermineraler, såsom smectit eller montmorillonit .
Beton og generel murværk
Beton behandlet med en natriumsilikatopløsning hjælper med at reducere porøsitet i de fleste murprodukter , såsom beton , stuk og gips . Denne effekt hjælper med at reducere vandindtrængning, men har ingen kendt effekt på at reducere vanddamptransmission og -emission. En kemisk reaktion opstår med det overskydende Ca (OH) 2 ( portlandit ) til stede i betonen, der permanent binder silikaterne med overfladen, hvilket gør dem langt mere holdbare og vandafvisende. Denne behandling anvendes generelt først, efter at den indledende kur har fundet sted (cirka 7 dage afhængigt af forholdene). Disse belægninger er kendt som mineralsk silikatmaling . Et eksempel på reaktion af natriumsilicat med calciumhydroxid fundet i beton til dannelse af calciumsilicathydrat (eller CSH) gel, hovedproduktet i hydreret Portland cement, følger.
-
Na
2SiO
3+ y H
2O + x Ca (OH)
2→ x CaO.SiO
2.y H
2O + 2NaOH
Hjælpemidler til vaskemiddel
Det bruges i vaskemiddelhjælpemidler, såsom kompleks natriumdisilikat og modificeret natriumdisilikat. Vaskemiddelgranulatet opnår deres robusthed på grund af en belægning af silikater.
Vandbehandling
Natriumsilikat anvendes som alun koagulant og en jern flokkuleringsmiddel i affald vandrensningsanlæg anlæg. Natriumsilicat binder sig til kolloide molekyler og skaber større aggregater, der synker til bunden af vandsøjlen. De mikroskopiske negativt ladede partikler suspenderet i vand interagerer med natriumsilicat. Deres elektriske dobbeltlag kollapser på grund af stigningen i ionstyrke forårsaget af tilsætning af natriumsilicat (dobbelt negativt ladet anion ledsaget af to natriumkationer), og de aggregerer derefter. Denne proces kaldes koagulation .
Ildfast brug
Vandglas er et nyttigt bindemiddel for faste stoffer, såsom vermiculit og perlit . Når det blandes med de førnævnte letvægtsaggregater, kan vandglas bruges til at lave hårde, høje temperaturisoleringsplader, der bruges til ildfaste materialer, passiv brandbeskyttelse og høje temperaturisolationer, f.eks. Støbte rørisoleringsapplikationer. Når det blandes med findelt mineralpulver, såsom vermiculitstøv (som er almindeligt skrot fra eksfolieringsprocessen), kan man producere klæbemidler ved høj temperatur. Intumescensen forsvinder i nærværelse af findelt mineralstøv, hvorved vandglasset bliver en ren matrix. Vandglas er billigt og rigeligt tilgængeligt, hvilket gør brugen populær i mange ildfaste applikationer.
Sandstøbning
Det bruges som bindemiddel til sandet, når der udføres sandstøbning af jern eller stål. Det muliggør hurtig produktion af en stærk skimmel ved at føre CO 2 gennem blandingen af sand og natriumsilicat i formkassen , hvilket hærder det næsten øjeblikkeligt.
Farve hjælpestof
Natriumsilicatopløsning bruges som et fikseringsmiddel til håndfarvning med reaktive farvestoffer, der kræver en høj pH -værdi for at reagere med tekstilfiberen. Efter at farvestoffet er påført et cellulosebaseret stof, såsom bomuld eller rayon, eller på silke, får det lov at tørre, hvorefter natriumsilicatet males på det farvede stof, dækkes med plastik for at bevare fugt og efterlades at reagere i en time ved stuetemperatur.
Passiv brandsikring
Natriumsilikater er iboende svækkende . De kommer i prill (faste perler) form, såvel som det flydende, vandglas. Den massive arkform (Palusol) skal være vandtæt for at sikre langsigtet passiv brandbeskyttelse (PFP).
Standard, har fast, perle-form-natriumsilicater blevet anvendt som aggregat i silikone gummi til fremstilling af plast rør brandhæmmende masser enheder. Silikongummi var utilstrækkelig vandtætning til at bevare opsugningsfunktionen, og produkterne skulle tilbagekaldes, hvilket er problematisk for ildsteder, der er skjult bag gipsvægge i bygninger .
Indsætninger til tætning er ligeledes ustabile. Dette har også resulteret i tilbagekaldelser og endda retssager. Kun 3M 's "Expantrol" -version, som har en ekstern varmebehandling, der hjælper med at forsegle den ydre overflade, som en del af dens processtandard, har opnået tilstrækkelig lang levetid til at kvalificere sig til DIBt -godkendelser i USA til brug ved brandstop.
I modsætning til andre opsugninger er natriumsilicat, både i perleform og i flydende form, iboende endotermisk på grund af flydende vand i vandglaset og hydrater i prillformen . Fraværet i USA af obligatoriske ældningstest, hvor PFP -systemer skal gennemgå systempræstationstest efter ældning og fugtighedseksponering, er roden til den fortsatte tilgængelighed i Nordamerika af PFP -produkter, der kan blive ubrugelige inden for uger efter installation. Uforskammet brug af natriumsilikater uden passende vandtætningsforanstaltninger bidrager til problemerne og risikoen. Når natriumsilicater er tilstrækkeligt beskyttet, fungerer de ekstremt godt og pålideligt i lange perioder. Bevis for dette kan ses i de mange DIBt -godkendelser til plastrørbrandstopanordninger, der bruger Palusol (et produkt fra BASF ), der bruger vandtætte natriumsilicatplader.
Metal reparation
Natriumsilicat bruges sammen med magnesiumsilicat i lyddæmpereparation og tilpasningspasta. Når det er opløst i vand, danner både natriumsilicat og magnesiumsilicat en tyk pasta, der er let at påføre. Når udstødningssystemet på en forbrændingsmotor varmes op til dens driftstemperatur , driver varmen alt det overskydende vand fra pastaen. De resterende silikatforbindelser har glaslignende egenskaber, hvilket foretager en midlertidig, sprød reparation.
Bil reparation
Natriumsilicat bruges også i øjeblikket som en udstødningssystems samling og revneforsegler til reparation af lyddæmpere, resonatorer, udstødningsrør og andre udstødningskomponenter, med og uden glasfiberforstærkende bånd. I denne ansøgning blandes natriumsilicatet (60–70%) typisk med kaolin (40-30%), et aluminiumsilicatmineral, for at gøre natriumsilicatet "limet" led uigennemsigtigt. Natriumsilicatet er imidlertid klæbemidlet ved høj temperatur; kaolin fungerer simpelthen som et kompatibelt farvestof ved høj temperatur. Nogle af disse reparationsforbindelser indeholder også glasfibre for at forbedre deres hulfyldningsevner og reducere skørhed.
Natriumsilicat kan bruges til at fylde huller i hovedpakningen . Almindeligt brugt på cylinderhoveder i aluminium , som er følsomme over for termisk induceret overfladebøjning. Dette kan skyldes mange ting, herunder strækning af hovedbolt, mangelfuld kølevæsketilførsel , højt cylinderhovedstryk, overophedning osv.
"Flydende glas" (natriumsilicat) tilsættes til systemet gennem radiatoren og får lov til at cirkulere. Natriumsilicat suspenderes i kølevæsken, indtil det når topstykket. Ved 100–105 ° C (212-221 ° F) mister natriumsilicat vandmolekyler for at danne en glastætning med en omsmeltningstemperatur over 810 ° C (1.490 ° F).
En natriumsilicatreparation kan vare to år eller længere. Reparationen sker hurtigt, og symptomerne forsvinder øjeblikkeligt. Denne reparation fungerer kun, når natriumsilicatet når sin "omdannelse" -temperatur ved 100–105 ° C. Kontaminering af motorolie er en alvorlig mulighed i situationer, hvor der er en lækage af kølevæske til olie. Natriumsilicat (glaspartikler) forurening af smøremidler er skadelig for deres funktion.
Natriumsilicatopløsning bruges til billigt, hurtigt og permanent at deaktivere bilmotorer. Kører en motor med ca. 2 liter natriumsilikatopløsning i stedet for motorolie, får opløsningen til at udfælde og ødelægger katastrofalt motorens lejer og stempler inden for få minutter. I USA blev denne procedure brugt til at overholde kravene i programmet Car Allowance Rebate System (CARS) .
Sikker konstruktion
En blanding af natriumsilicat og savsmuld er blevet brugt mellem dobbeltskindet i visse pengeskabe . Dette gør dem ikke kun mere brandsikre , men gør det også ekstremt svært at skære dem op med en oxyacetylenbrænder på grund af den røg, der afgives.
Krystalhaver
Når krystaller af et antal metalliske salte falder ned i en opløsning af vandglas, dannes simple eller forgrenede stalagmitter af farvede metalsilicater. Dette fænomen er blevet brugt af producenter af legetøj og kemisæt til at give mange generationer af børn lærerigt nydelse fra begyndelsen af det 20. århundrede og frem til i dag. En tidlig omtale af krystaller af metalliske salte, der danner en " kemisk have " i natriumsilikat, findes i magasinet Modern Mechanix fra 1946 . Metalsalte anvendte sulfater og/eller chlorider af kobber, kobolt, jern, nikkel og mangan.
Keramik
Natriumsilicat bruges som afløbsmiddel til støbning af skråninger, der hjælper med at reducere viskositet og behovet for store mængder vand for at likvidere lerkroppen. Det bruges også til at skabe en knitrende effekt i keramik, normalt hjulkastet. En vase eller flaske kastes på hjulet, temmelig smal og med tykke vægge. Natriumsilicat børstes på en del af stykket. Efter 5 minutter strækkes stykke af væggen udad med en ribbe eller hånd. Resultatet er et rynket eller revnet udseende.
Det er også hovedmidlet i "magisk vand", som bruges ved sammenføjning af lerstykker, især hvis fugtighedsniveauet for de to er forskelligt.
Tætning af utætte vandholdige strukturer
Natriumsilicat med tilsætningsstoffer blev injiceret i jorden for at hærde det og derved forhindre yderligere lækage af stærkt radioaktivt vand fra Fukushima Daiichi atomkraftværket i Japan i april 2011. Restvarmen, der transporteres af vandet, der bruges til køling af de beskadigede reaktorer accelererede indstillingen af den injicerede blanding.
Den 3. juni 1958 besøgte USS Nautilus , verdens første atomubåd, Everett og Seattle. I Seattle blev besætningsmedlemmer iført civil tøj sendt ind for i hemmelighed at købe 160 liter af et bilprodukt indeholdende natriumsilicat (oprindeligt identificeret som Stop Leak) for at reparere et utæt kondensatorsystem. De Nautilus var på vej til Nordpolen på en top hemmelig mission for at krydse Nordpolen neddykket.
Skydevåben patroner
En historisk anvendelse af natriumsilikaters klæbeegenskaber er fremstilling af papirpatroner til sortpulverrevolvere produceret af Colts Manufacturing Company i perioden fra 1851 til 1873, især under den amerikanske borgerkrig. Natriumsilicat blev brugt til at forsegle brændbart nitreret papir sammen for at danne en konisk papirpatron til at holde det sorte pulver samt at cementere blykuglen eller konisk kugle i den åbne ende af papirpatronen. Sådanne natriumsilicatcementerede papirpatroner blev indsat i revolvercylindrene og derved fremskyndet genindlæsning af sorte pulverrevolvere. Denne anvendelse endte stort set med introduktionen af Colt-revolvere, der anvendte patroner i messing med start i 1873. På samme måde blev natriumsilicat også brugt til at cementere den øverste vade i messing haglgeværskaller og derved eliminere ethvert behov for en krympning øverst på messinggeværet skal for at holde et haglgevær sammen. Genindlæsning af messing haglgeværskaller blev bredt praktiseret af selvhjulpne amerikanske landmænd i løbet af 1870'erne ved hjælp af det samme vandglasmateriale, der også blev brugt til at konservere æg. Cementeringen af den øverste vade på et haglgevær bestod i at påføre fra tre til fem dråber vandglas på den øverste vade for at fastgøre den til messingskroget. Messingskrog til haglgeværskaller blev afløst af papirskrog, der startede omkring 1877. De nyere papirskallede haglgeværskaller brugte en rullekrybbe i stedet for en vandglas-cementeret samling til at holde den øverste vade i skallen. Men selvom messingskaller med topvade cementeret med vandglas kunne genindlæses næsten på ubestemt tid (givet pulver, wad og skud, selvfølgelig), kunne papirskrogene, der erstattede messingskroget, kun genindlæses et par gange.
Mad og medicin
Selvom det faktisk ikke er medicinsk brug, er natriumsilicat og andre silikater de primære komponenter i "øjeblikkelige" rynkefjerner-cremer, som midlertidigt strammer huden for at minimere forekomsten af rynker og poser under øjet. Disse cremer, når de påføres som en tynd film og får lov til at tørre i et par minutter, kan give dramatiske resultater. Desværre er den ikke permanent, varer få minutter eller et par timer. Det fungerer som vandcement, når musklen først begynder at bevæge sig, revner den og efterlader hvide rester på huden.
Opbevaring af mad
Vandglas er blevet brugt som et ægkonserveringsmiddel med stor succes, primært når køling ikke er tilgængelig. Frisklagte æg nedsænkes i en opløsning af natriumsilicat (vandglas). Efter at være nedsænket i opløsningen blev de fjernet og fik lov til at tørre. En permanent lufttæt belægning forbliver på æggene. Hvis de derefter opbevares i passende omgivelser, holdes størstedelen af bakterierne, som ellers ville få dem til at ødelægge, ude og deres fugtighed holdes i. Ifølge den anførte kilde kan behandlede æg holdes friske ved hjælp af denne metode i op til fem måneder . Når kogende æg er så bevaret, er skallen ikke længere gennemtrængelig for luft, og ægget har en tendens til at revne, medmindre der laves et hul i skallen (f.eks. Med en nål) for at tillade damp at slippe ud.
Hjemmebrygning
Natriumsilicat flokkuleringsegenskaber bruges også til at afklare vin og øl ved at udfælde kolloidale partikler. Som rensemiddel er natriumsilicat imidlertid undertiden forvekslet med isinglass, der er fremstillet af kollagen ekstraheret fra de tørrede svømmeblærer af stør og andre fisk. Æg konserveret i en spand vandglasgel, og deres skaller bruges undertiden også (bagt og knust) til at rydde vin.
Akvakultur
Natriumsilicatgel bruges også som substrat for algevækst i akvakulturudsætninger .
Se også
Referencer
Yderligere læsning
- Ashford's Dictionary of Industrial Chemicals, tredje udgave, 2011, side 8369.