Волластонит - універсальний функціональний наповнювач
Волластонит - універсальний функціональний наповнювач
Волластонит - це природний силікат кальцію з молекулярною формулою CaSiO3. Будучи відомим як шаруватий шпат з кінця XVIII століття, в 1822 році він був названий волластонитом на честь англійського хіміка і філософа Вільяма Хайда Волластона (William Hyde Wollaston). Однак перейменування волластонита залишалося не більше ніж просто цікавим фактом аж до початку його першого промислового використання в 1933 році, коли він почав видобуватимуться в Каліфорнії в якості сировини для виробництва мінерального волокна. Волластонит не отримав широкого промислового поширення аж до 50-х років XX століття, коли, під час повоєнного будівельного буму, він почав використовуватися для виробництва фарб, грунтовок, шпаклівок і кераміки.
Волластонит унікальний серед промислових мінералів завдяки поєднанню білого кольору, голчастою форми кристалів і лужному pH. Промислові сорти волластонита зазвичай мають високий ступінь очищення, так як значна частина побічних домішок витягується в ході вологої обробки і / або високоінтенсивного магнітного поділу. Зазвичай супутніми волластонитом мінералами є кварц, кальцит, диопсид, гранат і Прегніл. Ці включення - результат природного освіти волластонита шляхом контактного метаморфізму кварцу і вапняку у відповідності з наступною формулою:
CO2
диоксид вуглецю
Тепло, спожите реакцією волластонита, забезпечується вулканічної магмою, яка також вносить алюміній, магній і залізо, що утворюють супутні мінерали.
Структура і властивості
Малюнок 1 показує, що структура волластонита характеризується повторюваними, переплетеними потрійними четирехграннікамі кварцу. Ланцюжки, що формуються цими кварцовими четирехграннікамі з'єднані по сторонам через кальцій, утворюючи восьмигранники. Завдяки такій структурі, волластонит зростає як голчастий кристал і зберігає цю игольчатую структуру при розщепленні. Висока щільність кварцових ланцюжків забезпечує твердість цього мінералу (4,5-5 по Моосу). У природі невелика кількість кальцію може заміщатися залізом, магнієм, марганцем, алюмінієм, калієм і натрієм. Втрати при прожарюванні (летючі речовини, що випаровуються при 1000 град. С) дуже низькі для чистого волластонита. У промислових зразків втрати при прожарюванні варіюються в діапазоні 0.5% -2.0%, головним чином в залежності від змісту залишкового кальциту.
Поверхня волластонита при контакті з водою гідролізується, утворюючи гідроксид кальцію, який забезпечує лужність дисперсій волластонита. Волластонит розкладається мінеральними кислотами, особливо соляною кислотою, і деякими органічними кислотами (мурашиної, оцтової, лимонної, молочної). При неповному розкладанні в кислотах утворюється силікагель. Волластонит володіє сильним буферним ефектом в кислих розчинах завдяки звільненню іонів кальцію.
сорти волластонита
Використання волластонита в наповнювачах обумовлено в першу чергу величиною голок в природних кристалах волластонита, форма яких зберігається при подрібненні в кінцеві продукти. Анізотропія частинок волластонита описується характеристичним відношенням - відношенням довжини частинок до їх ширині. Базова класифікація промислових сортів волластонита заснована на розмір і форму частинок.
Отримання промислових сортів волластонита часто вимагає спеціальних зусиль з видалення або зниження вмісту небажаних домішок. Руда спочатку дробиться і перемелюється для виділення мінералів. Гранат і диопсид - пофарбовані компоненти волластонітовой руди - мають слабкі магнітні властивості і можуть бути видалені високоінтенсивними магнітними сепараторами. Кальцит видаляється флотацією.
Волластонит подрібнюється переважно в кульових млинах. Порошкові сорти волластонита розмелюють до відносно низького характеристичного відносини (3: 1-5: 1). Сорти з високим характеристичним відношенням отримують обережним перетирання зі збереженням голчастою структури частинок. При необхідності повітряними сепараторами відділяється пиловидних фракція. Сорти з високим характеристичним відношенням мають показники від 12: 1 до 20: 1. Промисловий волластонит має середню довжину голок від 200 мкм для дліноразмерних до 20 мкм для мікроігольчатих сортів. Малюнок 2 ілюструє структри мікроігольчатого волластонита з високим характеристичним відношенням.
Як дрібно-, так і великорозмірні сорти волластонита доступні в силанового і органосілановой обробці для поліпшення сумісності з органічними матрицями.
Еволюція як функціонального наповнювача
Як функціональний наповнювач для лакофарбових матеріалів волластонит став застосовуватися з середини 40-х років XX століття. Привабливими властивостями цього мінералу в даному додатку виявилися його білий колір, досить висока твердість і висока природна білизна. [1]
- Універсальність - заснована на голчастою формою частинок, що забезпечує матирующую здатність, міцність в тонких покриттях і загальну стабільність;
- Помірну маслоемкость, яка підходить для рецептур з високою об'ємною концентрацією пігментів;
- Високу яскравість, що забезпечує більш чисті відтінки;
- Порівняно високу твердість, що забезпечує стійкість до абразивного зносу;
- Лужний показник pH, який стає одним з найважливіших властивостей волластонита, оскільки забезпечує зниження витрати аміаку і покращує стійкість покриттів до корозії і цвілі.
П'ять років по тому, наскільки наповнювачів були досліджені на предмет забезпечення антикорозійної стійкості епоксидних грунтовок для металевих поверхонь. Оскільки застосування свинцевих і хромових інгібіторів корозії було заборонено, то виникали нові види інгібіторів: молибдатного, боратного і фосфатні. Але вони мали свої недоліки, пов'язані з високою маслоемкость і низькою ефективністю. Вивчення впливу співвідношення ОКП / кокпіт (об'ємна концентрація пігменту / критична об'ємна концентрація пігменту) на збереження антикорозійних властивостей грунтовок призвело до перегляду вибору наповнювача. Серед 9 порівнюваних наповнювачів перевага була віддана волластонитом, що забезпечує найкращі корозійну стійкість і стійкість до здуття. Ці показники могли бути ще краще при використанні волластонита, модифікованого епоксіланом [3].
- Величина ОКП в межах 38-45% і співвідношення ОКП / кокпіт в інтервалі 0,6-0,9 забезпечують наілучщіе властивості покриття при дозуваннях модифікованого волластонита 150 г / л і антикорозійного пігменту 100 г / л;
- Прекрасні покривають властивості;
- Високі показники стійкості до тривалого впливу соляного туману і вологості;
- Величина ОКП на рівні 38% забезпечує кращу покриваемості і стійкість до корозії.
Протягом останніх декількох років спостерігається збільшення застосування волластонита в широкому спектрі антикорозійного покриття. Хоча водно-епоксидні покриття і переважають в даний час, особливо з тих пір як існує тенденція зниження використання летючих органічних розчинників в ЛФМ для зниження навантаження на навколишнє середовище, волластонит використовується також в акрилових кополімерних системах.
Хроматних і фосфатні антикорозійні пігменти були створені для поліпшення ефективності захисних грунтовок для металу, особливо грунтовок для флоту, а також авіаційних і автомобільних грунтовок. Повне заміщення функціональних властивостей шестивалентного хрому все ще залишається неможливим особливо для низьких навантажень. Так як хромат стронцію в багатьох системах все ще залишається єдиним вибором, то волластонит використовується, щоб зменшити кількість хромата стронцію без втрати антикорозійних властивостей. Для зниження залежності від хромату стронцію використовується, наприклад, фосфат цинку, який протягом останніх 30 років стає провідним нетоксичним ингибирующим пігментом. При цьому, поверхнево-модифікований волластонит успішно застосовується також для поліпшення властивостей фосфату цинку в алкідних композиціях [6].
У складах бар'єрного типу, де антикорозійні властивості досягаються властивостями, відмінними від властивостей пригнічують пігментів, волластонит продемонстрував свою ефективність сам по собі. Так як захист, створювана системами такого типу, більше пов'язана з регулюванням іонної проникності і хімічним зв'язком сполучного з поверхнею наповнювача, то робоча гіпотеза припускає, що поверхнево-оброблений волластонит забезпечує високу ефективність завдяки голчастою формою частинок і хімічного зв'язку, що утворюється між поверхнею наповнювача і сполучною [7].
Далі, розчинність волластонита в кислотах може контролюватися шляхом відповідного вибору модифікатора поверхні частинок. Шляхом ретельного підбору хімічних властивостей модифікатора до властивостей ингибирующего пігменту і сполучного, внесок волластонита в пасивацію може бути збережений, а синергетичний ефект може бути максимально збільшений.
багатофункціональний наповнювач
На додаток до використання для захисту від корозії, марки волластонита з високою білизною і великим характеристичним відношенням використовується для виробництва будівельних, промислових і морських фарб для забезпечення високої міцності покриттів, особливо під впливом фізичних і атмосферних навантажень. Голчаста форма частинок волластонита, навіть з низьким характеристичним відношенням, підсилює захисну плівку покриттів, забезпечуючи одночасно довговічність і гнучкість, а також чудову абразивну стійкість. Сорти волластонита з високим характеристичним відношенням використовуються і в товстошарових будівельних системах - в асфальтових покриттях, бітумних покриттях, текстурних покриттях і блокових елементах - для забезпечення механічної міцності і стабільності. Волластонит також використовується в епоксидних порошкових фарбах, так як має низьку потребу в сполучному, забезпечує гладке покриття (що виключає "апельсинову кірку"), покращує водостійкість, адгезію до поверхні. Більш грубі голчасті сорти волластонита використовуються в ґрунтовках, так як вони забезпечують більш мікро-текстурну поверхню з хорошою подальшої зв'язком з фінішними покриттями. У декоративних покриттях 10-мікронних і 30-мікронних волластонит використовується для створення гладкої шовковистою поверхні.
Для зручності базові властивості волластонита, важливі для ЛФМ, наведені в Таблиці 1. Типи покриттів, які використовують переваги волластонита, разом з рекомендованими сортами волластонита наведені в Таблиці 2. Властивості волластонита і їх вляніе на властивості покриттів наведені в Таблиці 3.
Більш детальна інформація про Волластона: