Wasserglas

Autor: Dr. Carolin Wallenhorst, Forschung & Entwicklung, ASK Chemicals, Hilden

Wasserglas bzw. Natriumsilikat wird durch Zusammenschmelzen von Quarzsand mit Natriumkarbonat bei hohen Temperaturen gebildet. Das Natriumsilikat kann nun entweder als Feststoff oder als Silikatbinder gelöst in Wasser vorliegen. Aus der Reaktionsgleichung zur Herstellung des Wasserglases in Bild 1 kann abgeleitet werden, dass Wasserglas in vereinfachter Weise gelöster Quarzsand ist.

In der chemischen Struktur des Wasserglases liegt das Siliziumatom umgeben von vier Bindungspartnern an zentraler Stelle vor. Die Gruppen, die an das Siliziumatom binden können, sind entweder neutrale Silanolgruppen (Si-OH) oder deren Alkalisalze (Si-ONa). Da Wasserglas die Eigenschaft hat, in wässriger Lösung stark alkalisch zu reagieren, liegen im Wasserglas vorrangig Si-ONa-Gruppen vor. Diese sind bezogen auf die Wasserglasaushärtung eher unreaktiv, gehen in wässriger Lösung allerdings verschiedene Reaktionen ein. Durch Reaktion mit Wasser wird das Alkalisalz in eine Silanolgruppe umgewandelt. Diese Silanolgruppe ist in alkalischer Lösung sehr reaktiv und geht mit einer weiteren Silanolgruppe unter Wasserabspaltung eine Kondensationsreaktion ein. Hierdurch wird eine neue chemische Bindung zwischen zwei Wasserglasmolekülen gebildet. Durch Wiederholung der Reaktionssequenz wird das Molekül durch den Aufbau neuer Siloxanbindungen (Si-O-Si) konsequent vergrößert.

Im umgekehrten Fall können die gebildeten Siloxanbindungen von Wasser und Lauge gespalten werden, das Molekül wird in einer Rückreaktion wieder verkleinert. Ebenso kann aus einer Silanolgruppe durch Reaktion mit Lauge das entsprechende Alkalisalz generiert werden. Vereinfacht ausgedrückt wird das Wasserglas in dieser Reaktion deaktiviert.

Beim Vergleich der Reaktionsschritte in Bild 1 zwischen thermischer Aushärtung und Auflösung des Wasserglases fällt auf, dass diese identisch sind, jedoch in umgekehrter Reihenfolge ablaufen. Ohne äußere Einwirkung auf das System, im geschlossenen Gefäß, liegen die einzelnen Verbindungen und Moleküle miteinander im Gleichgewicht vor, der Zustand des Wasserglases bleibt unverändert.

Durch Änderung des äußeren Zustandes, z. B. durch Wasserentzug (s. Dehydration) oder durch CO2-Begasung bei der Kern- bzw. Formherstellung, beginnt sich das chemische Gleichgewicht auf die Seite der Molekülvergrößerung zu verschieben. Dieser Mechanismus wird am Beispiel von wässrigen Kieselsäurelösungen von Iller beschrieben und lässt sich auf das Wasserglas übertragen.

Zunächst erfolgt eine Zusammenlagerung von einzelnen Monomeren über Dimere etc. zu größeren Molekülen durch sukzessive Kondensationsreaktionen. Ab einem Teilchendurchmesser von 1 nm spricht man dabei von Partikeln. Bei der Aushärtung (s. a. Härtung) können nun zwei Reaktionswege eingeschlagen werden (Bild 2). Entweder findet eine kontinuierliche Vergrößerung der einzelnen Partikel statt, oder die einzelnen Partikel lagern sich zu Ketten und Netzwerken zusammen. In beiden Schritten ist der chemische Reaktionsmechanismus der gleiche – über Kondensationsreaktionen zwischen einzelnen Silanolgruppen werden unter Wasserabspaltung neue Siloxanbindungen geknüpft. Die Art der Aushärtung wird entscheidend vom pH-Wert der Lösung beeinflusst. Bei niedrigem pH-Wert wird der Reaktionsweg A favorisiert. Die Geschwindigkeit der Reaktion ist in dem Fall ausreichend langsam, dass sich geordnete homogene Strukturen bilden können. Treffen die Partikel aufeinander, agglomerieren diese und formen insgesamt eine poröse verzweigte Gelstruktur.

Besitzt eine wässrige Kieselsäurelösung einen pH-Wert größer 7, wird der Reaktionsweg B unter Bildung von so genannten Solstrukturen eingeschlagen. Die Geschwindigkeit der Molekülvergrößerung ist bei hohem pH-Wert so hoch, dass diese Reaktion neben der Ausbildung von Gelstrukturen bevorzugt abläuft.

Weiterführende Stichworte:
Anorganische Bindersysteme
Sol-Gel-Umwandlung
Na-Wasserglas
Molverhältnis

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