Способ получения концентрированной пасты коллоидного кремнезема

 

Использование: в качестве связующего для оболочкового и керамического формования. Сущность изобретения: производят смешение гидрозоля кремнезема с раствором анионного полиэлектролита в щелочной среде с последующим отделением осажденной фазы, в качестве полиэлектролита используют анионный водорастворимый полимер и после отделения осажденной фазы в нее вводят мочевину в количестве не менее 0,15 моля на 100 г SiO₂. 1 табл.

Изобретение относится к способам получения высокодисперсного коллоидного кремнезема, диспергирующегося в водных средах. Полученные согласно предлагаемому способу пасты могут быть использованы в качестве связующего для оболочкового и керамического формования, а также во всех многочисленных областях, где используются гидрозоли кремнезема.

Особенности использования коллоидного кремнезема в отечественной технологии порождают дополнительные требования к пастам на его основе, а именно сохранение способности к пептизации при хранении хотя бы в течение нескольких месяцев, в том числе и после замораживания.

Известны способы получения концентрированных композиций коллоидного кремнезема с различными органическими веществами, диспергирующихся в водно-спиртовых средах.

Согласно этим способам гидрозоль кремнезема смешивается с органическими соединениями из группы эфиров (мономерными и полимерными), производных мочевины, амидов и кетонов или из группы спиртов. Затем в данную смесь вводится электролит (NaCl) с целью вызвать осаждение кремнезема. Далее полученный осадок отделяется. Поскольку в продукте по указанному способу связь частиц золя с органическими веществами осуществляется за счет образования водородных связей, процесс ведется в кислой области рН, где возможна реализация таких связей, рН смеси поддерживается в этой области либо введением кислоты, либо использованием кислого кремнезоля. Максимальная концентрация кремнезема в таких композициях до 30 мас.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ получения концентрированных композиций коллоидного кремнезема с водорастворимыми полимерами катионного типа из группы желатины, казеина и поливинилпиридина, состоящий из следующих стадий: смешивание в щелочных условиях гидрозоля кремнезема и вещества из группы желатины, казеина и поливинилпиридина, которое растворимо в нейтральных и щелочных водных растворах, до получения однородной смеси, причем это вещество применяется в пропорциях 1 мас.ч. на 2-50 мас.ч. SiO₂ в золе, что соответствует соотношениям 0,5-0,02 г/г SiO₂; добавление концентрированной кислоты до рН 3,0 в количестве, достаточном для осаждения упомянутого вещества и коллоидного кремнезема, в результате чего образуется осадок, выделяющийся из раствора: отделение осадка от жидкой фазы с помощью фильтрации, отмывание осадка от примесей низкомолекулярного электролита водой; обезвоживание осадка метиловым спиртом.

Указанный способ позволяет получить высокие концентрации кремнезема в композиции с желатином, что является преимуществом способа, однако данный процесс многостадиен (5 стадий, не считая сушки), также в качестве полиэлектролита употребляются вещества биологического происхождения желатина, казеин.

Кроме того, конечный продукт содержит все количество введенного полиэлектролита (от 2 до 50% в конечном продукте), что нежелательно при его использовании (например, снижение горячей прочности керамических форм в литье по выплавляемым моделям).

Цель изобретения получение высококонцентрированных паст коллоидного кремнезема, способных к диспергированию в водных средах при хранении в течение нескольких месяцев, в том числе и после замораживания.

Поставленная цель достигается смешением гидрозоля кремнезема с раствором анионного полиэлектролита в щелочной среде с последующим отделением дисперсной фазы и добавлением в нее мочевины в количестве не менее 0,15 моля на 100 г SiO₂.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

К гидрозолю кремнезема, имеющему рН 8,8-9,1, при перемешивании добавляют раствор анионного полиэлектролита в соотношении 0,04-0,09 г ПЭ/г SiO₂. Полученную смесь перемешивают в течение 5 мин, затем центрифугируют при 7 тыс. об./мин в течение 20 мин, после чего отделяют нижний пастообразный слой, который содержит 60-70 мас. SiO₂. Введение анионного полиэлектролита в соотношениях, меньших 0,04 г ПЭ/г SiO₂, приводит к неполному осаждению кремнезема (С в пасте < 55%). При соотношениях ПЭ/SiO₂ > 0,09 г/г концентрация кремнезема в пасте не увеличивается, поэтому дальнейшее увеличение количества вводимого анионного полиэлектролита экономически нецелесообразно. К полученной пасте затем добавляют мочевину в количестве не менее 0,15 моля на 100 г SiO₂ для улучшения диспергируемости пасты, в том числе и после замораживания. Количество мочевины > 0,25 моля на 100 г SiO₂ не улучшает диспергируемость пасты, а также приводит к уменьшению концентрации SiO₂ в пасте (за счет разбавления), что часто нежелательно при ее применении.

П р и м е р 1. К 313 мл гидрозоля кремнезема с концентрацией SiO₂ 40 мас. с рН 9,0, стабилизированного едким натром, добавляют при перемешивании 126,5 мл 11%-ного водного раствора полиэлектролита 1, имеющего рН 11,6, при соотношении ПЭ/SiO₂ 0,09 и перемешивают в течение 5 мин. Образующуюся непрозрачную вязкую смесь подвергают центрифугированию при 7 тыс.об./мин в течение 20 мин. К нижнему слою, содержащему 68% SiO₂, добавляют мочевину в количестве 0,15 молей на 100 г SiO₂.

Срок хранения пасты и устойчивость к действию низких температур определяется способностью пасты к полной пептизации с получением золя, т.е. к сохранению коллоидного размера частиц.

Контроль способности пасты к пептизации при хранении и после замораживания осуществляли по мутности золя, полученного при пептизации 0,5 г пасты в 10 мл воды (С 3 мас.) в кювете длиной 20 мм. Оптическую плотность золя определяли при длине волны проходящего света λ 540 нм на фотоколориметре ФЭК-56М.

Описанный выше и остальные примеры (2-14) приведены в таблице. Прочерки в таблице означают невозможность полной пептизации пасты, т.е. ее негодность к употреблению в указанных выше областях. Концентрация исходного золя, его рН, стабилизатор и условия получения во всех примерах аналогичны примеру 1.

Как следует из приведенных примеров, предлагаемый способ отличается от прототипа упрощением процесса снижение количества стадий от пяти до двух. Предлагаемый способ позволяет заменить дефицитные и дорогостоящие полимеры нa более доступные и дешевые, значительно снижая при этом практический расход анионного полиэлектролита (С_ПЭ в пасте 0,01-0,03 мас.) за счет его повторного использования. Добавление мочевины способствует значительному улучшению диспергируемости полученного продукта в результате длительного хранения, в том числе и после замораживания.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОНЦЕНТРИРОВАННОЙ ПАСТЫ КОЛЛОИДНОГО КРЕМНЕЗЕМА, включающий смешение гидрозоля кремнезема с раствором полиэлектролита в щелочной среде с последующим отделением дисперсной фазы, отличающийся тем, что в качестве полиэлектролита используют анионный водорастворимый полимер и после отделения дисперсной фазы в нее вводят мочевину в количестве не менее 0,15 моль на 100 г кремнезема.

РИСУНКИ

Рисунок 1