鈉水玻璃粘結性好,與水泥基材有非常牢固的密著力,成膜硬度大,耐老化、不燃無菸,加以適當填料可耐1000℃的高溫。鈉水玻璃塗膜靜電塵埃附著少,黴菌難於生長。由於鈉水玻璃有著有機材料所沒有的優越性,加之資源豐富、**低廉,因此作為一種新的無機粘結材料,再次成為人們研究的物件。
1鈉水玻璃塗料的固化技術及應用
鈉水玻璃分子式:na2o·nsio2+mh2o,其結構式:na—o`sio—oena+mh2o。
n為模數,其值越大耐水性越好,而粘結性越差。n是鈉水玻璃的乙個重要技術指標,其計算方法:n=sio2àna2oà×1.
032,1.032是sio2和na2o分子量之比。鈉水玻璃的另一技術指標是比重d或波美度b°。
二者之間的關係是b°=145-145d。建築塗料使用的水玻璃一般以n·3,b°·40為宜。從結構式看出,由於分子兩端的na+可以游離而進入溶液,所以鈉水玻璃可溶於水。
耐水性差是鈉水玻璃作為無機粘結劑的最大缺點。半個多世紀以來,研究者們圍繞提高鈉水玻璃的耐水性做了大量的工作。鈉水玻璃塗料的產生和發展與其固化技術緊密相關。
目前鈉水玻璃塗料的固化技術可分為兩大類。一類是加熱固化,另一類是固化劑固化。加熱固化
常溫下塗料中的水份蒸發,水玻璃中的矽酸陰離子聚集成膜,n
a+無規則地分布在塗膜中。塗膜中存在較多的si—oh鍵,遇水易溶,塗膜破壞。當溫度公升高時,鈉水玻璃的水份大量蒸發,而且si—oh鍵之間相互脫水締合,形成si—o—si鍵,這是耐水性極好的三維結構的塗膜。
na+處於三維結構膜的封閉狀態中,遇水不溶。固化溫度公升至200℃以上,即可得到耐水性極好的塗膜。成膜過程可用下列反應表示3:
na2onsio2+(2n+1)h2o2naoh+nsi(oh)4nsi(oh)4[si(oh)4]n-2nh2osioosiosiosi
加熱固化只能侷限於建築裝飾板塗膜的處理,對於建築物內外表面大面積的塗膜就難於奏效了。固化劑固化
很多物質可使鈉水玻璃固化,這些物質稱為固化劑或硬化劑。固化劑可分為五類。(1)氟矽化物
本世紀四十年代,普遍使用氟矽酸鈉作為固化劑。其水溶液顯弱酸性(ph·3),和水玻璃
水解出的鹼發生反應,使水玻璃的水解向生成矽酸溶膠的方向進行,改性後的塗膜耐水性很好。其反應可用下式表示:
2(na2onsio2)+na2sif6+mh2o6naf+(2n+1)sio2mh2o
(2)縮合磷酸鹽
本世紀六十年代以來,常使用縮合磷酸鹽作固化劑,多數為磷酸鋁、
磷酸鋅和磷酸鎂的縮合物,縮合程度、固化溫度各不相同。常溫下以三聚磷酸鋁使用最為普遍。使用前混合均勻,限制在一定時間內用完。
水玻璃塗料和固化劑為兩組份包裝。縮合磷酸鋁呈弱酸性,水解釋放出的質子使水玻璃凝膠化,生成矽酸溶膠。釋放出質子後的縮合磷酸鋁與水玻璃中的na+生成難溶於水的復鹽,使na+被固定。
國內對縮合磷酸鋁的研究較多,也曾見過這種兩組份包裝的外牆塗料。塗膜的耐水性取決於磷酸鋁的縮合度,縮合度又與配料比和焙燒溫度有關,一般配料比∶al2o3∶h3po4=1∶1.5～3,焙燒溫度為500～700℃,焙燒時間為8～12小時。
這種外牆塗料耐水性雖好,但裝飾性、施工性差,兩組份一旦混合必須在短時間內用完。這些不足之處還有待不斷完善提高。(3)無機酸
從理論上講,凡能提供h+,並能保證一定的h+濃度的酸均能對鈉水玻璃進行固化處理,如鹽酸、硫酸、硝酸、磷酸、醋酸。從**和**等各方面綜合考慮,使用最多的是硫酸和鹽酸。酸和鈉水玻璃發生反應生成矽酸溶膠,以鹽酸為例反應式如下:
na2onsio2+mh2o+2hcl2nacl+nsio2(m+1)h2o
在改性過程中,使用的酸量越多,生成的矽酸溶膠濃度越大,耐水性越好。但矽酸溶膠濃度過大,膠體存放時間短,塗料不穩定。因此酸改性一般用在耐水性要求不高的內牆塗料較多,產品多為鈉水玻璃、聚乙烯醇類。
塗料為單組份包裝,塗膜效能指標、塗料貯存
性、施工效能均好。
(4)金屬氧化物和可溶性的金屬鹽
金屬氧化物有氧化鋅、氧化鎂、氧化鈣等。可溶性的金屬鹽為鋅、鈣、鎂、鋁等多價金屬的碳酸鹽、硫酸鹽和氯化物。這類固化劑與鈉水玻璃反應,除生成矽酸溶膠外,還生成一種不溶於水的白色膠狀沉澱。
這類沉澱不但懸浮性好,而且具有一定的遮蓋能力。因此這類改性不但提高
了塗膜的耐水性,而且還可節省一定量的聚乙烯醇和填充料。可溶性的金屬鹽與鈉水玻璃反應式如下(以mgcl2為例):na2onsio2+mh2o+mgcl22nacl+mg(oh)2↓+nsio2(m-1)h2o
我們曾對金屬無機鹽改性鈉水玻璃進行了較深入的研究,2023年和2023年分別研製出兩個系列的塗料品種,聚乙烯醇用量降至16kgt塗料,各種效能指標均達到或超過106塗料部頒標準。該項技術在省內外推廣十幾個廠家,廠方收到明顯的經濟效益。用可溶性的金屬鹽改性鈉水玻璃的過程中,不同的金屬鹽對鈉水玻璃種類要求不同,無機
鹽用量不同,所採用的工藝路線也有所不同,忽視了任何一點都將導致改性技術的失敗。
用鈣鹽改性時不可使用芒硝制的水玻璃,因為這種水玻璃含有大量的so2-4。由於
ca(oh)2比caso4的溶解度(s)大很多(25℃時sca(oh)2
=2.2×10-2moll,scaso4=3.6×10-4moll),鈣鹽與so2-
4生成caso4,而不是ca(oh)2,因此導致塗料粘度減小,附著力
差,塗膜易掉粉。由於芒硝**比純鹼低廉,鄉鎮廠家生產的水玻璃大部分使用芒硝,所以鈣鹽改性的方法在使用中受到一定限制。使用純鹼制的水玻璃用鈣鹽改性時,除了生成矽酸溶膠外還生成白色的ca(oh)2沉澱。
ca(oh)2的溶解度隨著溫度公升高而降低(0℃時s=0.185g100ml水,100℃時s=0.077g100ml水),塗料生產時罐中溫度高於室溫,因此從反應罐放出的塗料冷至室溫後有返稀現
象。使用塗—4杯粘度計控制塗料稀稠度時,應以冷至室溫時為準,一般粘度為40秒左右適宜塗刷。
用鋁鹽改性時,對鈉水玻璃品種沒有特殊要求,因為so2-4的存在不影響al(oh)3沉澱的生成,所以使用芒硝制的水玻璃同樣可以得到良好的改性效果。al(oh)3沉澱的溶解度不隨溫度變化,塗料沒返稀現象,稀稠度易控制。在用鋁鹽改性時,加料時間的控制是至關重要的,因為無定形al(oh)3的溶度積常數值很小(ksp=1.
3×10-33),所以改性時正反應進行的趨勢很大,如果水玻璃加入遲緩,鋁鹽將會與改性聚乙烯醇的水玻璃反應,破壞了聚乙烯醇的改性,從而導致塗料粘度大大降低,塗膜掉粉。鋁鹽與鈣鹽改性相比,由於生成的al(oh)3是一種無定形
的凝膠狀沉澱,其粘結力、懸浮性均比ca(oh)2好,因此用鋁鹽改性的塗料比用鈣鹽的效能更為優越,同時聚乙烯醇的用量可以進一步降低。當前在聚乙烯醇**增至25,000元噸的形勢下,就更加顯示了這種改性的優越。
(5)有機化合物
據有關資料介紹,乙二醛,乙二醇二醋酸纖維素可在水玻璃中離解出有機酸,使鈉水玻璃膠化。近年來有機偶聯劑、絡合劑種類不斷增多,這些有機物具有較強的絡合能力,能對水玻璃中的na+有較好的固定作用。這方面的固化技術正在開發研究之中。
2結束語
隨著建築行業的發展,塗料品種不斷增加,就中小城市和鄉鎮農村,內牆塗刷仍以中低擋__塗料為主。因此研究**低廉的鈉水玻璃塗料的改性技術很有實用價值。國外由於建築的密集化、高層化,加之石油資源的不足,無機塗料也正受到人們的重視,因此研究水玻璃塗料的固化技術也是十分必要的。
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