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钠水玻璃涂料的固化机理

     硅酸钠俗称泡花碱,由石英砂及纯碱经过高温熔烧水翠再融化等一系列反应后制得,是一种水溶性,其水溶液俗称水玻璃,也是一种矿黏合剂。通常情况下分为钠水玻璃和钾水玻璃两种,其中钠水玻璃的应用最为广泛,其化学式为R2O·nSiO2,式中R2O为碱金属氧化物,n与碱金属氧化物摩尔数的比值,称为水玻璃的摩数。建筑上常用的水玻璃是硅酸钠的水溶液。 钠水玻璃粘结性好, 与水泥基材有非常牢固的密着力, 成膜硬度大,耐老化、不燃无烟, 加以适当填料可耐1000℃的高温。钠水玻璃涂膜静电尘埃附着少, 霉菌难于生长。由于钠水玻璃有着有机材料所没有的优越性, 加之资源丰富、价格低廉, 因此作为一种新的无机粘结材料, 再次成为人们研究的对象。  

1 钠水玻璃涂料的固化技术及应用       

钠水玻璃分子式:N a2O ·nSiO 2+ m http://www./H2O , 其结构式: N a—O ` SiO—O e N a+ m H2O。n 为模数, 其值越大耐水性越好, 而粘结性越差。n 是钠水玻璃的一个重要技术指标, 其计算方法: n =SiO 2àN a2O à ×1. 032, 1. 032 是SiO2 和N a2O 分子量之比。钠水玻璃的另一技术指标是比重d 或波美度Be °。二者之间的关系是Be °= 145-145d。建筑涂料使用的水玻璃一般以n=3.1-3.3,Be°=35-40度为宜。从结构式看出, 由于分子两端的N a+ 可以游离而进入溶液, 所以钠水玻璃可溶于水。耐水性差是钠水玻璃作为无机粘结剂的最大缺点。半个多世纪以来, 研究者们围绕提高钠水玻璃的耐水性做了大量的工作。钠水玻璃涂料的产生和发展与其固化技术紧密相关。目前钠水玻璃涂料的固化技术可分为两大类。一类是加热固化, 另一类是固化剂固化。    加热固化      常温下涂料中的水份蒸发, 水玻璃中的硅酸阴离子聚集成膜,Na+ 无规则地分布在涂膜中。涂膜中存在较多的Si—OH 键, 遇水易溶, 涂膜破坏。当温度升高时, 钠水玻璃的水份大量蒸发, 而且Si—OH 键之间相互脱水缔合, 形成Si—O —Si键, 这是耐水性极好的三维结构的涂膜。N a+ 处于三维结构膜的封闭状态中, 遇水不溶。固化温度升至200℃以上, 即可得到耐水性极好的涂膜。成膜过程可用下列反应表示3 :  N a2O õ nSiO 2 + (2n + 1)H2O 2N aOH + nSi(OH) 4 nSi(OH) 4 [Si(OH) 4 ]n- 2nH2OSiOO SiOSi O Si   加热固化只能局限于建筑装饰板涂膜的处理, 对于建筑物内外表面大面积的涂膜就难于奏效了。      

2.固化剂

很多物质可使钠水玻璃固化, 这些物质称为固化剂或硬化剂,固化剂可分为三类:

(1)  氟硅化物  本世纪四十年代, 普遍使用氟硅酸钠作为固化剂。其水溶液显弱酸性(pH · 3) , 和水玻璃  水解出的碱发生反应, 使水玻璃的水解向生成硅酸溶胶的方向进行,改性后的涂膜耐水性很好。其反应可用下式表示:  2 (N a2O õ nSiO 2) + N a2SiF6 + m H2O 6N aF + (2n + 1) SiO 2õm H2O    

(2)  缩合磷酸盐  本世纪六十年代以来, 常使用缩合磷酸盐作固化剂, 多数为磷酸铝、  磷酸锌和磷酸镁的缩合物, 缩合程度、固化温度各不相同。常温下以三聚磷酸铝使用最为普遍。使用前混合均匀, 限制在一定时间内用完。水玻璃涂料和固化剂为两组份包装。缩合磷酸铝呈弱酸性, 水解释放出的质子使水玻璃凝胶化, 生成硅酸溶胶。释放出质子后的缩合磷酸铝与水玻璃中的N a+ 生成难溶于水的复盐, 使N a+ 被固定。国内对缩合磷酸铝的研究较多, 也曾见过这种两组份包装的外墙涂料。涂膜的耐水性取决于磷酸铝的缩合度, 缩合度又与配料比和焙烧温度有关, 一般配料比∶A l2O 3∶H3PO 4= 1∶1. 5~ 3, 焙烧温度为500~700℃, 焙烧时间为8~ 12 小时。这种外墙涂料耐水性虽好, 但装饰性、施工性差, 两组份一旦混合必须在短时间内用完。这些不足之处还有待不断完善提高。 

(3)  无机酸  从理论上讲, 凡能提供H+ , 并能保证一定的H+ 浓度的酸均能对钠水玻璃进行固化处理,如盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、醋酸。从价格和来源等各方面综合考虑, 使用最多的是硫酸和盐酸。酸和钠水玻璃发生反应生成硅酸溶胶, 以盐酸为例反应式如下:  N a2O õ nSiO 2 + m H2O + 2HCl 2N aCl + nSiO 2õ (m + 1)H2O。


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