水玻璃制品抗吸湿性研究现状.pdf
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1、广东建材2023年第8期0 概述水玻璃是由碱金属和二氧化硅化合而成的一种可溶于水的硅酸盐,南方俗称“水玻璃”,北方俗称“泡花碱”。水玻璃的主要类别有钠水玻璃、钾水玻璃、锂水玻璃、铷水玻璃、季铵水玻璃等,它们的化学通式为 MO2mSiO2 nH2O,其中钠水玻璃最为常见。2023年国务院发布了 新时代的中国绿色发展 白皮书,要求推动能源绿色低碳发展,满足可持续发展的战略要求。水玻璃是最为人所熟知,最传统的无毒、无味、绿色无机粘结剂,作为建筑材料具有价格低廉,生产方法简单等诸多优势。水玻璃在我国各个行业中有着广泛的应用,水玻璃可以作为金属制品的抗腐蚀剂,同时作为一种绿色粘结剂,水玻璃在玻璃、陶瓷、
2、石棉、木材、胶合板等多个行业都有广泛的应用。而水玻璃砂作为我国铸造业的三大型砂之一,也是水玻璃最为重要的一项用途。易吸湿是水玻璃制品的显著缺点,导致水玻璃制品在潮湿空气中极易吸水失去强度,水玻璃砂、水玻璃粘结剂等在使用过程中都受此缺陷影响,因此研究提高水玻璃制品抗吸湿性是加速水玻璃行业发展的重大课题。1 硬化水玻璃的结构水玻璃的硬化指的是水玻璃从液态向凝胶态转化的过程,当达到凝胶状态后,水玻璃固体粒子聚合成高分子链网络状结构,形成的一种半固态物质,水玻璃的硬化主要经过碳化和脱水结晶固化来实现1,实现这一转化的方法有物理硬化和化学硬化两种。水玻璃的硬化过程对硬化强度、抗吸湿性等各项性能有至关重要
3、的影响,因此研究水玻璃的硬化结构、优化硬化过程对提高水玻璃的性能有着极大的帮助。1.1硅凝胶的形成硅凝胶的形成过程主要是硅酸离子在浓度增加的条件下发生缩聚反应,聚硅酸分子之间发生脱水聚合,随着脱水反应的进行,聚硅酸由线性结构变成体型结构,最终形成硅溶胶。硅酸聚合在酸性和碱性环境下机理不同。在弱碱性条件下,主要是硅酸负离子的聚合反应。而在酸性条件下,水玻璃在凝结成凝胶之前存在一个分散微粒逐渐合并的中间状态,使得溶液增稠变浑浊直至变为非均相系统。胶团会在非均相系统中粘结并生成更大的生成物,从而产生松软而强度微弱的线形状骨架,这些骨架充满整个硅胶空间形成凝胶2。同时,pH值是影响胶凝速度的重要因素之
4、一。pH值为中性时硅酸的凝胶速度最快,会在很短的时间完成聚合反应。当碱度或酸度增大时,会导致凝胶速度减缓,凝胶时间变长。因此,在聚合反应时必须控制好pH值从而获得性能优良的聚硅酸。1.2硅凝胶的结构凝胶是一种网络状结构的半固态物质,是由处在不流动状态下溶胶中的固体粒子聚合而成,其液体含量高达99.6%。通过用电子显微镜观察凝胶胶团,发现水玻璃凝胶胶团为圆球形双电层结构,由胶核、紧密层和扩散层三部分组成,核心是表面吸附了硅酸和硅酸负离子的无定形SiO2,而紧密层和扩散层都由Na+组成,其中扩散层的厚度决定了胶粒溶剂化层的厚度,胶体的稳定性水玻璃制品抗吸湿性研究现状刘冬岳1宋辰峰2程从密2(1 广
5、州越秀城开房地产开发有限公司;2 广州大学 土木工程学院)【摘要】本文通过对水玻璃溶胶-凝胶机理的阐释,从微观结构和化学组成上分析了水玻璃易吸湿的主要原因,并比较了各种不同硬化方式对吸湿性的影响。此外,通过对国内外关于水玻璃抗吸湿性研究的归纳,介绍了降低钠离子数量、固化钠、形成憎水性表面和减少水分子对粘结桥的攻击四种提高水玻璃抗吸湿性的方法。【关键词】水玻璃;抗吸湿性;固化机理;硅凝胶材料研究与应用-32广东建材2023年第8期随扩散层厚度的提升而提升3。1.3硬化由液体水玻璃经过脱水等反应向水玻璃凝胶转化的过程叫做水玻璃的硬化过程。实现这个过程通常有两条途径:一条是使用干燥的方法让其脱水硬化
6、,即物理硬化;另一条是化学、物理转化过程,即化学硬化。水玻璃具有一个浓度-模数临界值,物理硬化和化学硬化的目的都是通过超越该临界值达到让水玻璃凝胶化的目的。4物理硬化是一种单纯的脱水硬化过程,通过单纯失水超越临界值硬化,它的作用机理是通过排除水分子的方式,破坏硅酸钠溶于水时所产生的水化膜,随着水分子的脱失,胶团粒子聚沉而形成凝胶,并最终形成玻璃状的硅酸钠,达到凝胶效果。该方法有普通加热硬化,真空加热硬化和微波加热硬化三类。化学硬化需要经过硅酸钠的水解、硅溶胶的形成、硅凝胶的形成三个阶段,在这个过程中,失水和升高水玻璃模数同步进行。目前主流的观点认为硅凝胶的生成和脱水是促使水玻璃硬化和产生粘结强
7、度的主要原因5。主要的化学硬化方法有CO2硬化、粉末硬化剂自硬化、有机酯硬化和复合硬化。2 水玻璃的吸湿性吸湿是指水玻璃经硬化后,在存放过程中因为环境湿度大而吸收环境中的水分并逐渐失去粘结强度的现象。水玻璃砂作为水玻璃应用的代表,被视为最有可能实现绿色铸造的型砂种类,但吸湿性问题是目前为止阻碍以水玻璃砂为代表的水玻璃制品应用的一大难题,为水玻璃的生产推广带来极大的阻碍。为解决吸湿性问题,近些年国内外对水玻璃砂的抗吸湿性展开了广泛的研究。通过研究酸改性钠水玻璃涂料时发现,凡能够提供H+的就能够改善水玻璃的吸湿性。6水玻璃具有吸湿性是由于钠水玻璃固化形成的硅溶胶是表面带有碱金属阳离子的胶体,故而潮
8、湿空气中的水分会对硅溶胶产生巨大的侵蚀作用,攻击水玻璃的粘结桥,导致水玻璃砂容易吸湿失去强度。所以钠离子和氢氧根离子的存在是水玻璃硅凝胶具有强吸湿性的主要原因,水分子能够被硅溶胶表面的钠离子所吸引,并在氢氧根的催化下使硅氧键断裂重新溶解,最终导致硅酸盐网状结构解体,内聚强度快速下降3。实验证明,不同硬化方法的水玻璃制品所展现出来的吸湿性不尽相同。比较CO2硬化、超细硅铁粉末硬化、酯硬化和微波硬化四种方法的吸湿性发现,吸湿性最强的是微波硬化,其次是酯硬化和CO2硬化,而超细硅铁粉末硬化的制品吸湿性最弱7。用XRD测试水玻璃砂硬化后的化学成分发现,超细硅 铁 粉 硬 化 后 的 产 物 主 要 是
9、 不 吸 水 的 FeO(OH)、Fe2SiO4和 FeSi,故而该种方法生产的型砂吸湿性最弱。而酯硬化水玻璃砂和微波硬化水玻璃砂的产物中由于有大量Na+的存在,因此吸湿性较强,酯硬化水玻璃砂中吸湿的物质主要为Na6Si8O19、Na2Si22O45 XH2O和有机钠盐C23H14Na2O11 6H2O,微波硬化水玻璃砂中吸湿的物质主要为Na2SiO 35H2O和Na2Si2O58。笔者通过比较不同酯掺入量的水玻璃硬化后的耐水性发现,不同酯掺入量的硬化水玻璃耐水性也不相同。实验所使用的酯为二乙酸甘油酯,该酯为一种快酯,加入几分钟后水玻璃就会开始硬化。向同等质量的水玻璃中分别加入水玻璃质量5%、
10、10%、15%的二乙酸甘油酯,硬化后泡水1h发现,二乙酸甘油酯掺量5%时,试块在水中几乎完全溃散;二乙酸甘油酯掺量为15%时,试块仍保持其形状(图1)。表明酯的加入提升了水玻璃耐水性。在硬化反应过程中,生成C23H14Na2O11 6H2O这种结晶水化物,使得制品中的水分被夺取,达到减少硅酸钠溶胶中的吸湿量的目的7。(a)二乙酸甘油酯掺量5%(b)二乙酸甘油酯掺量10%(c)二乙酸甘油酯掺量15%图1 不同二乙酸甘油酯掺量时水玻璃泡水1h后的耐水性材料研究与应用-33广东建材2023年第8期3 水玻璃吸湿性防治措施提高水玻璃抗吸湿性的主要思路是通过阻止钠的水合以及直接阻止水分子的侵入。阻止钠的
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