12 Июль 2016

 

А.С. БРЫКОВ, канд. хим. наук, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

 

Способность водных коллоидных растворов кремнезема образовывать твердые гели лежит в основе простого и доступного способа изготовления светопрозрачных декоративных изделий по технологии производства многослойного стекла.

 

В настоящее время определенной популярностью пользуются различные виды декоративного стекла, производимые по той или иной технологии и предназначенные для изготовления перегородок внутри помещений, столешниц, для остекления внутренних дверей и окон.

 

Один из распространенных способов получения таких изделий заключается в том, что между двумя листами обычного стекла помещают лист закаленного стекла. Образуемые в результате аккуратного разбивания закаленного стекла мелкие осколки создают эффект, который известен специалистам под названием «битый хрусталь». Несмотря на получаемые в результате высокие эстетические свойства, этот способ не лишен недостатков: требуется процесс закаливания стекла с соответствующим оборудованием; определенные трудности возникают при изготовлении гнутого стекла; как следствие, изделие получается достаточно дорогим.

 

Автор настоящей статьи предлагает простой и недорогой способ изготовления светопрозрачных декоративных изделий аналогичного типа по широко распространенной технологии производства многослойного стекла методом заливки. Способ заключается в изготовлении каркаса, состоящего из двух и более листов стекла, расположенных параллельно и отстоящих друг от друга на расстоянии 0,5 мм и более, заполнении промежутков между листами стекла специальной жидкой композицией на водной основе и ее отвердевании с образованием твердого прозрачного гидрогеля.

 

Основой композиции являются выпускаемые отечественной и зарубежной промышленностью стабилизированные монодисперсные водные золи кремнезема с размерами частиц SiO2 порядка 5—10 нм. В определенных областях значений рН (при введении добавок кислого типа и щелочей), а также в присутствии солей-электролитов золи теряют свою устойчивость, в них развиваются процессы гелеобразования, характер которых зависит от рН, создаваемого в системе. Следует отметить, что способность водных коллоидных растворов SiO2 образовывать прозрачные гидрогели при смешивании со щелочами используется в производстве противопожарного стекла.

 

При смешивании стабилизированных коллоидных растворов кремнезема с определенными видами кислых добавок — органических кислот и разбавленных растворов минеральных кислот, сложных эфиров глицерина, этиленгликоля, одноатомных спиртов — также образуются прозрачные гели, обладающие твердостью и хрупкостью.

 

В выпускаемых промышленностью растворах коллоидного кремнезема частицы стабилизированы за счет окружающих их одноименно заряженных оболочек из гидроксид-ионов, создающих электростатическое отталкивание между частицами и не позволяющих им сблизиться на расстояние, достаточное для коагуляции и образования силоксановых (-Si-O-Si-) связей. Основной причиной нарушения стабильности коллоидных кремнеземсодержащих систем при введении добавок кислого типа является разрушение заряженных оболочек вокруг частиц. Формирование структуры геля в подобных системах широко исследовалось различными авторами; современные представления о происходящих при этом процессах изложены в монографии [1].

 

Характерная особенность гелей, приготовленных из монодисперсных кремнезолей, заключается в том, что в определенных условиях, например при обезвоживании, нагреве или быстром охлаждении, они растрескиваются на фрагменты различных размеров и форм. Образование трещин связано с развитием напряжений в кремнеземной сетке в процессе объемной усадки. Это явление лежит в основе предлагаемого способа.

 

Если процесс образования геля и формирования трещин в нем происходит в тонком слое между двумя листами обычного стекла, образуемая структура может иметь вид, как на рис. 1. Разумеется, в каждом случае получаемый рисунок будет носить индивидуальный характер.

 

sm11_04-14

Рис. 1. Фрагмент светопрозрачного однотонного декоративного изделия с деструктурированным слоем гидрогеля кремнезема


sm11_04-15

Рис. 2. Фрагмент светопрозрачного многоцветного декоративного изделия с деструктурированным слоем гидрогеля кремнезема

 

Принцип изготовления стекла заключается в подготовке каркаса из листов стекла нужной площади и формы путем их склеивания с помощью приемов, известных в технологии изготовления многослойных стеклопакетов. Далее готовят жидкую композицию путем смешивания раствора коллоидного кремнезема с размером частиц 5—10 нм и кислой добавки из числа указанных выше веществ; количество вводимой добавки колеблется в пределах 1—5% от массы коллоидного кремнезема. Композицию заливают в пространство между листами стекла и отверждают путем выдерживания в течение не менее 1—3 ч всего изделия при 50—70оС, например в тепловой камере или высокочастотном электрическом поле (без нагрева процессы гелеобразования будут идти дольше). Перед заливкой композицию дополнительно можно подвергнуть дегазации [2], с тем чтобы образуемый из композиции гель был свободен от пузырьков воздуха. С другой стороны, в некоторых случаях пузырьки воздуха образуют дополнительный эстетический эффект, а также способствуют последующей фрагментации (растрескиванию) слоя геля.

 

Далее для деструкции геля изделие выдерживают при температуре 100—130оС в течение 10—30 мин и оставляют охлаждаться при обычной температуре. Регулируя скорость охлаждения, можно влиять на процесс фрагментации, варьировать форму и размеры фрагментов геля внутри стекла. Конкретные значения других приводимых выше параметров будут также определяться желаемым результатом и характеристиками используемых материалов.

 

Многослойные изделия, содержащие более одного слоя геля, будут иметь дополнительный эффект объемности.

 

Предлагаемым способом легко изготавливаются декоративные стекла гнутой формы, принципиально возможно изготавливать стекла различных цветовых оттенков и в любом сочетании (рис. 2), вводя в композицию перед заливкой специально подобранные окрашивающие вещества (красители и пигменты); при этом изделие может сохранять прозрачность. С другой стороны, своеобразный эстетический эффект можно получить, создавая непрозрачное окрашенное заполнение.

 

Декоративное стекло сочетается с различными видами безопасного остекления, противопожарного, ударопрочного и т. д. Для наружного остекления возможно также изготавливать декоративные стекла в морозостойком варианте и использовать их в составе стеклопакетов.

 

При переходе в область отрицательных значений температуры обычное декоративное стекло теряет прозрачность из-за кристаллизации воды, заключенной в структуру геля, и вымораживания остаточного воздуха. При оттаивании прозрачность восстанавливается лишь частично. При изготовлении стекла в морозостойком варианте в качестве противоморозных добавок следует использовать многоатомные спирты (полиолы), причем те из них, которые не вызывают коагуляции кремнезоля. Наиболее подходящей добавкой, по всей видимости, является глицерин. Вводя его в количестве от 5 до 30% от массы композиции, можно получать гели, устойчивые к отрицательным температурам в диапазоне от -5 до -20оС.

 

Производители многослойного стекла (триплекса), используя имеющиеся производственные технологии, могут наладить выпуск предлагаемого выше декоративного материала и тем самым расширить ассортимент своей продукции.

 

Список литературы

  1. Айлер Р. Химия кремнезема: Пер. с англ./ Под ред. В.П. Прянишникова. М.: Мир. 1982. Ч. 1, 2.
  2. Брыков А.С., Корнеев В.И. // Пат. RU2205793. Оп. 10.06.2003. Бюл. № 16.

 

Статья взята из журнала «Строительные материалы»