PL247837B1

PL247837B1 - Kompozycja klejąca oraz sposób jej wytwarzania

Info

Publication number: PL247837B1
Application number: PL441456A
Authority: PL
Inventors: Wiktor Szewczenko
Original assignee: Politechnika Warszawska
Priority date: 2022-06-13
Filing date: 2022-06-13
Publication date: 2025-09-08
Also published as: PL441456A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest kompozycja klejąca na bazie wodnego szkła sodowego charakteryzująca się tym, że zawiera sproszkowane szkło odpadowe o wielkości ziaren poniżej 0,04 mm i o zawartości Na2Oeq wynoszącej 15 – 16% wag. i aktywności zasadowej zawierającej się w przedziale 22 - 30 mg R+/kg. Przedmiotem wynalazku jest również sposób wytwarzania kompozycji klejącej według zgłoszenia obejmujący etapy: a) dodania sproszkowanego szkła odpadowego do wodnego szkła sodowego; b) zmieszania komponentów z etapu a); charakteryzujący się tym, że sproszkowane szkło odpadowe jest dodawane w takiej ilości, że stosunek wagowy wodnego szkła sodowego do sproszkowanego szkła odpadowego wynosi od 1:1 do 1:4, natomiast wielkość ziaren sproszkowanego szkła odpadowego wynosi poniżej 0,04 mm a zawartość Na2Oeq w sproszkowanym szkle odpadowym wynosi 15 – 16% wag. przy jego aktywności zasadowej zawierającej się w przedziale 22 - 30 mg R+/kg.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest kompozycja klejąca na bazie szkła wodnego sodowego z dodatkiem sproszkowanego szkła odpadowego nadająca się do zastosowania w budownictwie oraz jako spoiwo przy renowacji zabytków oraz sposób wytwarzania tej kompozycji klejącej.

Szkło wodne sodowe należy do spoiw powietrznych. Sposób wytwarzania tego materiału polega na stapianiu piasku krzemionkowego z węglanem sodowym Na2CO3. Produktem stapiania jest szkło wodne sodowe Na2O nSiO2 m H2O.

Szkło wodne sodowe w roztworze wodnym występuje w postaci mieszaniny krzemianów oraz produktów ich hydrolizy:

Na₂SiO₃+ 2H₂O > 2NaOH + H₂SiO₃ (SiO₂ H₂O)

Wiązanie szkła wodnego polega na koagulacji - przejściu zolu w żel - kwasu krzemowego. Obecny w roztworze wodorotlenek sodu, przez nadanie środowisku odczynu zasadowego, utrzymuje kwas krzemowy w postaci zolu. Dopiero pod działaniem dwutlenku węgla z powietrza następuje zobojętnienie środowiska:

Na₂O n S1O2 + COz + 2nH₂O Na₂CO₃ + nSi(OH)₄

Wytworzony żel kwasu krzemowego ulega stopniowo odwodnieniu:

Si(OH)₄ -+ SiO₂ + 2HiO

Wskutek polikondensacji powstają łańcuchy krzemotlenowe:

- Si - O - Si - O - Si -

Polikondensacja stanowi rodzaj reakcji polimeryzacji, czyli wytwarzania związków wielkocząsteczkowych, która charakteryzuje się tym, że tworzeniu łańcuchów polimeru towarzyszy wydzielanie produktu ubocznego w postaci związku małocząsteczkowego. W tym przypadku jest to H2O. Proces wiązania i twardnienia szkła wodnego sodowego jest procesem powolnym.

Roztwory szkła wodnego sodowego mają postać gęstych syropowatych cieczy, bezbarwnych lub zabarwionych na kolor żółtawy bądź zielonkawy. Szkło wodne sodowe charakteryzuje się za pomocą dwóch wielkości - modułu (M) oraz gęstości.

Moduł (M) wyliczany jest na podstawie poniższego równania:

M=%SiO₂/% Na₂O 1,032

Szkło wodne sodowe typowo wykazuje wartość modułu (M) od M = 2 do M = 3,5 i gęstość w zakresie 1360-1400 kg/m³.

W budownictwie szkło wodne sodowe jest szeroko rozpowszechnione jako substancja klejąca, której parametr stanowi wartość adhezji (przyczepności). Grupy znajdujące się na powierzchni szkła wodnego zawierają fragmenty łańcucha - Si - O - Si - O - Si -. Niewysycone wiązania szkła wodnego przy Si- i O- tworzą nowe wiązania chemiczne z powierzchnią, na którą nanoszone jest szkło wodne. Im więcej takich wiązań powstaje pomiędzy warstwą szkła wodnego a powierzchnią, tym większa jest wartość adhezji i tym większa przyczepność kleju do podłoża. Wartość adhezji można regulować zmieniając wartość modułu (M) szkła wodnego, który może ulegać zmianie w zakresie od 2 do 3,5. Należy jednak zauważyć, że szkło o niskim module (M) charakteryzuje się znacznie opóźnionym i wydłużonym czasem wiązania, natomiast zastosowanie szkła wysokomodułowego powoduje dla odmiany obniżenie wytrzymałości tworzyw krzemionkowych. W budownictwie najczęściej stosuje się szkło wodne o module 2-2,7, co znacząco utrudnia regulowanie adhezji za pomocą zmiany modułu. Konieczne jest więc opracowanie takich kompozycji klejących, które wykazywałyby dobrą wytrzymałość tworzyw krzemionkowych a jednocześnie wykazywałyby dobrą adhezję.

W chwili obecnej duży problem stanowi zagospodarowanie odpadów szklanych. Szkło odpadowe ma to do siebie, że zwykle jest mieszanką szkieł o różnym kolorze, który zależy między innymi od jego

PL 247837 BI składu chemicznego, co dodatkowo utrudnia jego zagospodarowanie. W tabeli 1 podano skład chemiczny szkła w zależności od jego koloru.

Tabela 1

Chemiczny skład szkła odpadowego w zależności od jego koloru

Tlenki, % mas.	Kolor szkła odpadowego
Bezbarwne	Brązowe	Zielone
SiO₂	72,20	72,15	72,02
AI2O3	1,80	1,75	1,80
CaO	10,10	10,00	10,97
MgO	1,65	1,76	1,50
Na₂Oeq*	13,80	13,74	12,63
FezOs	0,04	0,25	0,45
Cr₂O₃	0,01	0,03	0,25
SO₃	0,40	0,32	0,38

*Na2Oeq = %Na₂O + 0.658 %K₂O

Celem wynalazku jest zatem opracowanie kompozycji klejącej na bazie wodnego szkła sodowego o ulepszonej adhezji, która to kompozycja również rozwiązywałaby problem zagospodarowania odpadów szklanych jak również opracowanie sposobu wytwarzania kompozycji klejącej.

Przedmiotem wynalazku jest kompozycja klejąca składająca się z wodnego szkła sodowego oraz sproszkowanego szkła odpadowego charakteryzująca się tym, że zawiera sproszkowane szkło odpadowe o wielkości ziaren poniżej 0,04 mm i o zawartości Na₂Oeq wynoszącej 15-16% wag. i aktywności zasadowej zawierającej się w przedziale 22-30 mg R7kg, w której stosunek wagowy szkła wodnego do sproszkowanego szkła odpadowego wynosi od 1 :1 do 1 :4.

Korzystnie sproszkowane szkło odpadowe oznacza dealkalizowane sproszkowane szkło odpadowe.

Korzystnie dealkalizowane sproszkowane szkło odpadowe powstało przez dealkalizację sproszkowanego szkła odpadowego z zastosowaniem wody destylowanej o temperaturze w przedziale 75-85°C przy stosunku wagowym sproszkowane szkło odpadowe :woda destylowana wynoszącym 0,8-1,2:18-22.

Korzystnie konsystencja kompozycji wynosi od 6 do 7,5 cm.

Korzystnie adhezja kompozycji wynosi od 0,5 do 8 MPa.

Korzystnie aktywność zasadowa kompozycji wynosi od 140 do 280 R7kg.

Przedmiotem wynalazku jest również sposób wytwarzania kompozycji klejącej według wynalazku obejmujący etapy:

a) dodania sproszkowanego szkła odpadowego do wodnego szkła sodowego;

b) zmieszania komponentów z etapu a);

charakteryzujący się tym, że sproszkowane szkło odpadowe jest dodawane w takiej ilości, że stosunek wagowy wodnego szkła sodowego do sproszkowanego szkła odpadowego wynosi od 1 :1 do 1 :4, natomiast wielkość ziaren sproszkowanego szkła odpadowego wynosi poniżej 0,04 mm a zawartość Na₂Oeq w sproszkowanym szkle odpadowym wynosi 15-16% wag. przy jego aktywności zasadowej zawierającej się w przedziale 22-30 mg R⁺/kg.

Korzystnie sproszkowane szkło odpadowe jest poddawane dealkalizacji przed etapem a) sposobu.

Korzystniej dealkalizacja oznacza wymieszanie sproszkowanego szkła odpadowego z wodą destylowaną w ciągu 1 minuty w stosunku wagowym sproszkowane szkło odpadowe :woda destylowana wynoszącym 0,8-1,2 : 18-22, a następnie usunięcie wody i wysuszenie produktu do uzyskania stałej masy.

Jeszcze korzystniej woda destylowana ma temperaturę zawierającą się w przedziale 75-85°C.

Jeszcze korzystniej produkt jest suszony w temperaturze zawierającej się w przedziale 100-112°C.

Szkło odpadowe zawiera komponenty o charakterze zasadowym, które występują tam w postaci kationów-modyfikatorów R⁺ (Na⁺, K⁺) tworzących słabe wiązania jonowe z tlenkiem - Si-O'⁺R. Kiedy proszek szkła odpadowego dodany zostanie do szkła wodnego, wówczas wiązanie - 0^-+R ulega rozluźnieniu z wytworzeniem -O^- (podobnie jak w szkle wodnym), który tworzy wiązanie z powierzchnią podłoża, na którym rozprowadzane jest szkło wodne. Dzięki temu, przez dodanie proszku szkła odpadowego zwiększona zostaje powierzchnia właściwa szkła wodnego, a co za tym idzie zwiększona zostaje liczba wiązań chemicznych pomiędzy mieszanką szkła wodnego z proszkiem szkła odpadowego a powierzchnią podłoża, co prowadzi do podwyższenia wartości adhezji.

W toku badań nad kompozycją według wynalazku stwierdzono, że jeżeli proszek szkła odpadowego poddany zostanie dodatkowo dealkalizacji w wodzie o temperaturze 79,85°C wówczas nastąpi rozerwanie wiązania jonowego -0^-+R znajdującego się na powierzchni ziaren proszku szkła odpadowego z wytworzeniem w roztworze wodorotlenku sodu (lub potasu), natomiast ⁺R zostanie zastąpiony kationem wodoru ⁺H. Ponieważ energia aktywacji fragmentu -O^-+H jest o wiele niższa od energii -O^-+R, to przy dodawaniu proszku szkła odpadowego do szkła wodnego kation wodoru oddala się od tlenu i wiązanie z tlenem ulega rozerwaniu. W efekcie powstaje nowe wiązanie z powierzchnią podłoża.

W związku z tym kompozycja klejąca według wynalazku wykazuje zwiększoną adhezję, która wynika z zastosowania w niej dodatku w postaci szkła odpadowego uprzednio poddanego dealkalizacji. Kompozycja według wynalazku umożliwia również zagospodarowanie szkła odpadowego, co w wielu wypadkach jest utrudnione ze względu na to, iż szkło odpadowe stanowi zazwyczaj mieszankę szkła o różnych kolorach, a co za tym idzie o różnych właściwościach i składzie. Co więcej z uwagi na swoje własności kompozycja według wynalazku może znaleźć na przykład zastosowanie jako spoiwo przy pracach związanych z renowacją zabytków wykonanych z tworzyw cementowych. Innym zastosowaniem takiej kompozycji może być na przykład montaż systemów dociepleniowych w konstrukcjach budowlanych.

Przedmiot wynalazku został bliżej przedstawiony w przykładach wykonania.

Przykłady wykonania

W badaniach zastosowano szkło wodne sodowe dostępne w handlu firmy DRAGON o następującym składzie %Na2O - 8,58; %SiO2 - 28,92. %H2O - 62,5;' M = 3,48, pH - 12.

Szkło odpadowe zastosowano w postaci mieszanki szkła bezbarwnego, brązowego i zielonego pochodzącego z opakowań o zawartości 15-16% wag. Na2Oeq. Kawałki szkła były rozdrabniane w rozdrabniarce i mielone we młynie kulowym. Po zmieleniu szkło poddawano przesiewaniu z odbiorem najdrobniejszej frakcji o wielkości ziaren poniżej 0,04 mm.

W związku z tym, iż niemożliwa jest ilościowa ocena udziału każdego rodzaju szkła jako wartość aktywności zasadowej przyjęto taką aktywność, która odpowiada ilości kationów zasadowych w mg na jednostkę masy mieszanki - mg R⁺/kg. Aktywność zasadową oznaczano metodą fotometrii płomieniowej z zastosowaniem fotometru FP902 firmy PG instrument (Wielka Brytania). Wszystkie badania zostały przeprowadzone na jednej partii szkła odpadowego o aktywności zasadowej 26,5 mg R⁺/kg.

Przykład 1

Frakcję szkła odpadowego o wielkości ziaren poniżej 0,04 mm otrzymaną jak opisano powyżej podzielono na porcje o masie 100 g. Następnie odważono szkło wodne sodowe, aby uzyskać kompozycje o stosunku podanym w tabeli 2. Do odważonego w odpowiedniej ilości wodnego szkła sodowego dodano sproszkowane szkło odpadowe i całość mieszano ręcznie aż do uzyskania jednorodnej mieszaniny.

Przykład 2

Mieszaninę z przykładu 1 poddano ocenie pod kątem adhezji.

W badaniach adhezji w charakterze podłoża zastosowano płyty betonowe o wymiarach 300 x 500 x 50 mm. Wytrzymałość na ściskanie użytego betonu wynosi -50,0 MPa. Według danych z literatury wytrzymałość na rozciągane betonu (Rroz) równa jest 10-20% jego wytrzymałości na ściskanie, a to oznacza, że Rroz badanego betonu waha się w granicach 5 do 10 MPa. Z uwagi na defekty przyjęto wartość 6,0 MPa.

PL 247837 BI

Powierzchnię płyty betonowej najpierw poddano gruntowaniu cienką warstwą kompozycji wytworzonej zgodnie z przykładem 1 dla wyrównania powierzchni. Skład kompozycji podano w tabeli 2. Po 3 minutach na zagruntowaną powierzchnię naniesiono warstwę tej samej kompozycji o grubości 3 mm. Po wyrównaniu powierzchni płyta z warstwą kompozycji klejącej była utrzymywana na powietrzu przez 20 dni. Po 20 dniach na stwardniałą powierzchnię za pomocą kleju epoksydowego przyklejono metalowe płytki o wymiarach 50 x 50 mm. Po 3 dniach wzdłuż krawędzi płytek metalowych wykonano nacięcia w celu pozyskania próbki o powierzchni 25 cm² zawierającej badaną mieszaninę. Po 28 dniach próbki poddano badaniu na rozciąganie. W tym celu w płytkę metalową wkręcono pręt, który połączono z prasą. Wyniki badań dla kompozycji z przykładu 1 o różnym stosunku szkła wodnego (SWS) do sproszkowanego szkła odpadowego (SOM) wyrażone w MPa przedstawiono w tabeli 2.

Tabela 2

Adhezja kompozycji klejącej według wynalazku do powierzchni betonu w zależności od stosunku wagowego SWS :SOM

Nr	Skład kompozycji klejącej	Konsystencja,* [cm]	Adhczj a, [MPa]	Strefa odrywania	Aktywność zasadowa, [mg R⁺/kg]
1	SWS, 100%	7,0	0,5	Po linii sklejania	142,2
2	SWS: SOM- 1:0,5	7,1	0,6	Po subst. klejącej	155,4
3	SWS: SOM- 1:1	7,0	0,9	Po subst. klejącej	168,7
4	SWS: SOM- 1:2	6,9	1,5	Po linii sklejania	195,2
5	SWS: SOM- 1:3	6,8	1,9	Po linii sklejania	221,7
6	SWS: SOM- 1:4	6,6	2,4	Po linii sklejania	248,2
7	SWS: SOM- 1:5	6,3	1,9	Po subst. klejącej	274,7

*Konsystencj a substancji klejącej była oznaczana metodą zanurzenia skoszonego stożka o masie 300g.

Przykład 3

Dealkalizacja sproszkowanego szkła odpadowego

Frakcję szkła odpadowego o wielkości ziaren poniżej 0,04 mm otrzymaną jak opisano powyżej poddano procesowi dealkalizacji. W tym celu odpowiednią porcję szkła wsypano do pojemnika i dodano

PL 247837 BI wodę destylowaną o temperaturze 79,85°C (350 K) w stosunku wagowym szkło odpadowe :woda wynoszącym 1 :20. Po wymieszaniu w ciągu jednej minuty wodę wylano z pojemnika, który następnie wstawiono do suszarki elektrycznej. Szkło suszono do stałej masy w temperaturze 105°C. Po wysuszeniu masę szklaną w postaci twardej kostki rozdrobniono do proszku, który podzielono na porcje o masie 100 g. Adhezja sproszkowanego szkła odpadowego po dealkalizacji wyniosła 8,8 mg R7kg.

Wytwarzanie kompozycji według wynalazku

Porcje szkła odpadowego dealkalizowanego (dSOM) o masie 100 g dodano następnie do odpowiednich porcji szkła wodnego sodowego tak aby końcowa mieszanina miała stosunek komponentów wskazany w tabeli 3 poniżej. Połączone składniki wymieszano ręcznie z uzyskaniem jednorodnej mieszaniny kompozycji klejącej według wynalazku.

Przykład 4

Adhezję kompozycji według wynalazku uzyskanych zgodnie z przykładem 3 zbadano sposobem podanym w przykładzie 2. Jako podłoża użyto płyt betonowych o identycznych parametrach. Dane dotyczące adhezji kompozycji według wynalazku pokazane zostały w tabeli 3 poniżej.

Tabela 3

Adhezja do powierzchni betonu kompozycji klejącej zawierającej dealkalizowane sproszkowane szkło odpadowe (dSOM) w zależności od stosunku wagowego SWS : dSOM

Nr	Skład kompozycji klejącej	Konsystencja, * [cm]	Adhezja, [MPa]	Strefa odrywania	Aktywność zasadowa, [mg R⁺/kg]
1	SWS, 100%	7,0	0,5	Po linii sklejania	142,2
2	SWS: dSOM-l:0,5	7,2	0,7	Po subst. klejącej	146,6
3	SWS: dSOM-l:1	7,1	1,2	Po subst. klejącej	151,0
4	SWS: dSOM- 1:2	7,0	2,6	Po linii sklejania	159,8
5	SWS: dSOM- 1:3	6,8	6,9	Po betonie	168,6
6	SWS: dSOM - 1:4	6,6	7,8	Po betonie	177,4
7.	SWS: dSOM- 1:5	6,1	3,9	Po linii sklejania	186,2

^Konsystencja kompozycji klejącej była oznaczana metodą zanurzenia skoszonego stożka o masie 300g.

Z porównania danych z tabeli 2 i 3 wynika, że po dealkalizacji aktywność zasadowa kompozycji klejącej jest niższa o 6,4% dla stosunku SWS :dSOM-1:1 i o 28,5% dla stosunku SWS :dSOM 1 :4.

Właśnie w tym zakresie można zauważyć zwiększenie adhezji kompozycji klejącej o 33% dla stosunku SWS : dSOM - 1 : 1 i o 325% dla stosunku 1 : 4.

Dane zawarte w tabeli 3 wskazują jednoznacznie, że dealkalizacja sproszkowanego szkła odpadowego prowadzi do zwiększenia liczby wiązań chemicznych tworzonych przez kompozycję klejącą z powierzchnią podłoża z betonu cementowego, na skutek czego następuje wzrost adhezji (przyczepności) kompozycji według wynalazku.

W przypadku strefy odrywania po substancji klejącej (tabela 2, poz. 2, 3, 7; tabela 3, poz. 2, 3 lub 5, 6) wytrzymałość na rozciąganie jest nazywana kohezją o ile charakteryzuje związki chemiczne wewnątrz materiału. W tym przypadku (tabela 3, poz. 5, 6) wartość adhezji jest większa od wytrzymałości na rozciąganie betonu.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Kompozycja klejąca składająca się z wodnego szkła sodowego oraz sproszkowanego szkła odpadowego znamienna tym, że zawiera sproszkowane szkło odpadowe o wielkości ziaren poniżej 0,04 mm i o zawartości Na2Oeq wynoszącej 15-16% wag. i aktywności zasadowej zawierającej się w przedziale 22-30 mg R+/kg, w której stosunek wagowy szkła wodnego do sproszkowanego szkła odpadowego wynosi od 1 : 1 do 1 : 4.
2. Kompozycja według zastrz. 1 znamienna tym, że sproszkowane szkło odpadowe oznacza dealkalizowane sproszkowane szkło odpadowe.
3. Kompozycja według zastrz. 2 znamienna tym, że dealkalizowane sproszkowane szkło odpadowe powstało przez dealkalizację sproszkowanego szkła odpadowego z zastosowaniem wody destylowanej o temperaturze w przedziale 75-85°C przy stosunku wagowym sproszkowane szkło odpadowe: woda destylowana wynoszącym 0,8-1,2 : 18-22.
4. Kompozycja według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 3 znamienna tym, że jej konsystencja wynosi od 6 do 7,5 cm.
5. Kompozycja według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 4 znamienna tym, że jej adhezja wynosi od 0,5 do 8 MPa.
6. Kompozycja według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 5 znamienna tym, że jej aktywność zasadowa wynosi od 140 do 280 R⁺/kg.
7. Sposób wytwarzania kompozycji klejącej jak określono w którymkolwiek z zastrz. od 1 do 6 obejmujący etapy:

a) dodania sproszkowanego szkła odpadowego do wodnego szkła sodowego;

b) zmieszania komponentów z etapu a);

znamienny tym, że sproszkowane szkło odpadowe jest dodawane w takiej ilości, że stosunek wagowy wodnego szkła sodowego do sproszkowanego szkła odpadowego wynosi od 1 : 1 do 1 : 4, natomiast wielkość ziaren sproszkowanego szkła odpadowego wynosi poniżej

0,04 mm a zawartość Na2Oeq w sproszkowanym szkle odpadowym wynosi 15-16% wag. przy jego aktywności zasadowej zawierającej się w przedziale 22-30 mg R+/kg.
8. Sposób według zastrz. 7 znamienny tym, że sproszkowane szkło odpadowe jest poddawane dealkalizacji przed etapem a) sposobu.
9. Sposób według zastrz. 8 znamienny tym, że dealkalizacja oznacza wymieszanie sproszkowanego szkła odpadowego z wodą destylowaną w ciągu 1 minuty w stosunku wagowym sproszkowane szkło odpadowe: woda destylowana wynoszącym 0,8-1,2 : 18-22, a następnie usunięcie wody i wysuszenie produktu do uzyskania stałej masy.
10. Sposób według zastrz. 9 znamienny tym, że woda destylowana ma temperaturę zawierającą się w przedziale 75-85°C.
11. Sposób według zastrz. 9 albo 10 znamienny tym, że produkt jest suszony w temperaturze zawierającej się w przedziale 100-112°C.