水玻璃复合材料

水玻璃复合材料
摘要：水玻璃复合材料是一种利废、节能、低污染的高绿色度材料，在国家提倡“节能减排”的形势下，研究和应用水玻璃环境友好型材料必然会引起良好地市场效益。

本文对近年来国内外水玻璃的特性、改性、硬化机理和应用领域以及制备方法做了相应的研究。

关键词：水玻璃,复合材料,节能,溶胶-凝胶法
Sodium silicate composite materials
Chen huan
(mianyang vocational technical college material engineering analysis of 111 class
Mianyang 621010)
Abstract the sodium silicate composite materials is a recycling, energy saving, low pollution and high degree of green material, in the state advocates "energy conservation and emission reduction in" the situation, research and application of sodium silicate environment friendly materials will inevitably lead to good market benefit. In this paper the characteristics of sodium silicate at home and abroad in recent years, modification, hardening mechanism and application areas and preparation methods did corresponding research.
Keywords s odium silicate, composite material, energy saving, sol-gel method
水玻璃是碱激发工业废渣胶凝材料中的一种重要原料，而碱激发工业废渣胶凝材料被认为是一种具有极大开发价值和应用前景的环境友好型胶凝材[1]-[2]。

随着我国工业现代化进程的加速变化，各种工业大量产生钢渣、矿渣以及粉煤灰、冶金工业等主要工业产生的废渣对环境的影响是及其严重的，因此对工业废渣废弃资源再资源化来取代水泥的研究无凝显得重要。

水玻璃材料的研发将是一个全新的方向，预期成为一种节能、低成体、环境友好性好的高性能材料，为实现我国材料行业的可持续发展奠定基础。

一水玻璃的简介
水玻璃是多种聚硅酸的复杂溶液，是一种性能良好的涂料。

主要成份为氧化钠、二氧化硅和水。

水玻璃可分为硅酸钠水玻璃、硅酸钾水玻璃、硅酸锂水玻璃、硅酸盐季铵水玻璃和钾钠硅酸盐水玻璃等。

二水玻璃的特性
2.1 黏结力和强度较高
水玻璃硬化后的主要成份是硅凝胶固体，比先前的表面积大，因而具有较高的黏结力。

但是水玻璃自身质量，配合料性能及施工养护对强度有显著影响。

2.2 耐酸性好
可以抵抗除氢氟酸（HF)、热磷酸和高级脂肪酸以外的所有有机酸和无机酸。

2.3 耐热性好
硬化后形成的二氧化硅网状骨架，在高温强度下下降很少，当采用耐热、耐火集料配制水玻璃砂浆和混凝土时，耐热度可达1000℃，因此水玻璃混凝土的耐热度也可以理解为主要取决于集料的耐热度。

2.4 耐碱性和耐水性差
因混合后易均溶于碱，故水玻璃不能在碱性环境中使用。

同样由于氟化钠、碳酸钠均溶于水而不耐水，但可采用中等浓度的酸对已硬化的水玻璃进行酸洗处理来提高耐
水性。

三水玻璃的改性
3.1 水玻璃的物理改性
钠水玻璃的老化过程是其内部能量缓
慢释放的过程，那么消除水玻璃的老化就必须向老化的水玻璃体系中输入能量，输入能量的方法很多：主要有超声振荡、磁场处理。

3.1.1 超声振荡处理
1.将装有钠水玻璃的容器置于超声波清洗
器的洗槽内，槽内放有40mm深的水，超声频率13.5—18.0HZ。

开动超声波清洗器，振动一段时间，对水玻璃进行改性，香水玻璃补充能量，以提高其抗老化性能，这种方法用于实验室研究，能耗低，设备简单。

2．将超声发生器的致磁伸缩杆直接插入盛有水玻璃的容器中，超声频率为16.0—25.0HZ，功率视水玻璃粘借结剂的处理量而定，主要应用与实际生产中。

3.1.2磁场处理
磁场处理最常适用于中模水玻璃，水玻璃粘结剂磁化后应该尽快使用，放置一段时间后会有强度衰退的现象。

3.2 水玻璃的化学改性
水玻璃的化学改性是往水玻璃中添加
一种或数种其他物质以阻缓水玻璃的老化，减少因老化而损失的粘结强度和提高水玻
璃的抗吸湿性，水玻璃化学改性花费不多，但是增强效果明显，具有极大的经济利益。

通常化学改性方法有以下几种：
1．将钠水玻璃、钾水玻璃、季铵水玻璃两种或者两种以上，按照一定比例混合；
2.在水玻璃中加入一定量的磷酸盐、硼酸盐、铝酸盐、钛酸盐、锆酸盐等搅拌加热，进行反应；
3.在水玻璃中加入多元醇；
4.在水玻璃中加入少量耍的聚丙烯酸、聚丙烯胺、聚乙二醇等水溶性高分子；
四水玻璃的硬化机理
水玻璃硬化途径可分为：
1.直接加热硬化：物理脱水硬化过程[3]，水玻璃脱水后成为硅酸凝胶硬化；
2．吹二氧化碳气体硬化：化学硬化、物理硬化；
二氧化碳是一种干燥性很强的气体[4]，可以加速钠水玻璃的干燥过程，水分蒸发和硅胶脱水成固体二氧化硅而凝结硬化，产生物理的或者玻璃质的黏结。

3.有机酯的硬化
可分为三个过程：a. 有机酯在碱性溶液中发生水解；b. 与水玻璃发生反应； C. 水玻璃进一步失水硬化；
4.粉末硬化剂硬化；
5.金属或金属氧化物硬化；
五制备方法
利用工业生产中常见的设备制取这种水玻璃需要事先精心准备石英砂、烧焦的泥土、其它一些矿石以及二氧化硅基的工业废料等原材料嗣得的水玻璃的模数为1～4.2,密度达到1.55g／ml,所制备出的水玻璃已得到许多独立机构的认可。

对这样的水玻璃在以天然石、英砂的高浓度悬浮液(或游浆) 为基础的建筑材料生产中的适用性进行了
确定，水玻璃溶液常用于风干半制品的强化。

水玻璃主要是通过使硅酸盐岩块溶解，
而生产的这些硅酸盐岩块是由石英砂和煅烧苏打在1400℃～1500℃的玻璃熔炼炉中熔化而获得。

这个过程是非常耗能的，需要消耗大量燃料。

还对所用的石英砂的粒度要求和化学成分都有一定的限，煅烧苏打存在着二氧化碳和硫酸酐的逸漏导致温室效应和酸雨的产生。

六水玻璃的应用
6.1 在材料中的应用
6.1.1 气凝胶
杨海龙等[5]以廉价水玻璃为硅源经
溶胶-凝胶工艺和超临界干燥技术制备了二氧化硅气凝胶块体，并研究了制备条件对其成胶时间的影响。

6.1.2 耐酸性混凝土
郭建雷[6]采用铝矶土，明矾石和高铝水泥三种不同掺量，不同细度的无札外掺料掺入水玻璃耐酸砂浆中，测定了砂浆试件的抗压强度，抗折强度和纵向限制率等指标，探讨了这些外掺料对强度和抗裂性能的影响；通过XRD对耐酸砂浆硬化产物进行物分析，测定了砂浆的微观孔结构，从组成和结构方面分析了外掺料改性作用机理。

雷少云[7]采用不同种类的外加剂，使水玻璃耐酸材料应用12年完好无损，大大增加了其使用寿命，降低了成本造价。

6.1.3 矿渣砂浆
张高展[8]结合水泥-水玻璃双液注浆材
料快速胶凝，抗水分散性能好和碱激发硅铝质胶凝材料耐久性好的特点，提出了抗水分散和抗水溶蚀双液注浆材料的理想结构模型和设计方法。

6.1.4 黏结剂
王继娜等[9]研究了超声处理，纳米粉末改性，复合材料改性等水玻璃粘结剂改性方案及材料对水玻璃粘结剂的改性效果，分析了水玻璃改性机理。

实验结果证明，超声波处理虽然提高了水玻璃砂的常温强度，却恶化了溃散性；
6.1.5 介孔材料
李文江等[10]一水玻璃作为硅源，以CTAB 阳离子表面冶性剂为模板剂，在温和条件下采用开放体系合成出具有MCM-41结构特点的介孔材料，反应过程中不但反应条件易控制，还可以提高产量。

何方等[11]以水玻璃作为硅源，在酸性条件下，通过溶胶-凝胶方法制备成20至50mm 孔径的介孔材料。

6.1．6 催化剂载体
李春丽[12]借鉴了熔模铸造中水波浪型壳还早的工艺过程，探讨了以睡不了硬化后形成的产物为骨架，主要成膜物质的涂层用作催化剂载体的可行。

6.1.7 有机和无机复合涂料
徐峰[13]研究了耐沾污型有机-无机复合涂料由苯丙乳液酸改性水玻璃和耐沾污的组成。

杨静等[14]借助XRD和SEM等测试方法研究表明，水化硅酸钙在不同的龄期分别出现网络状，颗粒状和纤维状几种形貌。

6.1.8 陶瓷材料
夏宇华[15]等用实验的方法研制出以硅灰石为基材、水玻璃为结合剂的多孔陶瓷料，它具有较高气孔率，还有狭窄孔径分布和一定的机械强度。

张健[16]等对具有助磨作用的陶瓷添加剂进行了探讨，包括试样的制备、球磨、粒度测定、助磨机理的解释等。

6.2 在选矿中的应用
水玻璃是一种无机胶体，是浮选非硫化矿或某些硫化矿的调整剂，它对石英、硅酸盐等脉石矿物有良好的抑制作用。

当用脂肪
酸作为捕收剂，浮选萤石、方解石和白钨矿时，用水玻璃可作为选择性抑制剂。

水玻璃用量较大时，对硫化矿也有抑制作用[17]。

6.2.1 水玻璃在铜矿石浮选中的应用
水玻璃在浮选氧化铜矿的试验和生产中，起着分散细泥的作用，玻璃作矿泥分散剂的机理，是因为它的硅酸酸粒都带负电，且表面都有水化层，使硅酸胶粒能稳定地分散悬浮在矿浆中，不会互相团聚和沉降。

当这种胶粒吸附在矿泥表面时，使矿泥处于分散状态[18]水玻璃是石英、硅酸盐和铝硅酸盐类矿物的抑制剂，又是矿泥的分散剂。

在铜一硫分离试验中，使用水玻璃作为脉石矿物的抑制，强化铜一硫浮选分离，铜精矿品位较加石灰工艺提高0.61,收率相当。

可见，在矿泥量较大时，铜一硫分离浮选时添加水玻璃有利于铜精矿品位的提高[19]。

6.2.2 水玻璃在萤石浮选中的应用
萤石浮选领域长期存在以下三大难题：萤石与微细粒石英或片状云母等含硅矿物
的分离；萤石与重晶石、黄铁矿等含硫矿物的分离；萤石与方解石白钨矿等含钙矿物的分离。

于“ H系列改性水玻璃复合剂”的研制成功，并合理引入中矿呈“双回路”循环，提高了粗(中) 粒嵌布萤石一石英矿石浮选指标[20]。

酸化水玻璃对萤石一石英型矿石中具有很强的选择性抑制作用，研究表明[21]，这种抑制剂使矿浆pH值呈弱酸性，从而带强亲水性离子的胶粒成为主要的抑
制组分，同时也消除了钙及其它难免金属离子对石英的活化。

6.2.3水玻璃在钨矿石浮选中的应用
黄宝光[22]在浮选中用水玻璃抑制含磷稀土矿物和磷灰石，取得了比较好的技术指标，解决了酸浸和摇床重选分离无法分选的难题，处理了一批积压的含磷较高的白钨矿粗精矿,企业创造了显著的经济效益。

通过小型闭路试验[23],获得白钨矿精矿含
69.84％,回收率为70.76％的指标。

张忠汉[24] 等依据白钨矿矿石性质，采用一次磨细的单一浮选流程，碱性介质中用改性和改性脂肪酸进行白钨矿粗选，采用水玻璃+Y N进行白钨加温精选。

高玉德[25]从黑钨矿细泥浮选作用的机理人手对黑钨矿细泥与萤石、方解石、石英等矿物的浮选分离研究,采用硝酸铅为活化剂，水玻璃、硫酸铝等为组合抑制剂,苯甲羟肟酸与塔尔皂等共用的组合捕收剂,基本解决了富含钙矿物黑钨矿细泥回收的技术
难题。

6.2.4 在钼矿石浮选中的应用
改性水玻璃用于钼矿石和钨矿石的浮选过程中效果显著，能强烈地抑制与目的矿物具有相近可浮性的脉石矿物，减少钼精选作业次数，大大提高选择效率[26]。

6.2.5水玻璃在其它矿石浮选中的应用
刘莉君[27]采用山西煤制备洁净煤，在相同实验室试验条件下，分别利用工业上较为常用的抑制剂水玻璃和六偏磷酸钠作抑制
剂对比试验。

结果表明，六偏磷酸钠的抑制效果明显优于水玻璃。

丁长云[28]用模数为2.8的粉状水玻璃分散
矿泥，捕收剂干燥品取代丁基黄药选别天翔选硫厂原矿硫品位9.16℅，高含泥尾砂取得了较好的技术指标，得到矿硫品位39.28％、硫回收率86.51％。

马俊伟[29]研究了捕收剂油酸和羟肟酸，抑制剂氟硅酸钠、水玻璃对改性渣中钙钛矿浮的影响。

结果表明：以羟肟酸为捕收剂，水玻璃为抑制剂，可实现钙钛矿与钛辉石等
的浮选分离。

八发展前景
综上所说，水玻璃复合材料不但具有许多优良使用性能，环保价能和特殊功能，而且制备原料来源丰富，价格低廉。

水玻璃复合材料不仅在我国的应用非常广泛，而且在全世界的运用也是极其广泛。

在国内，我国已有北京、上海、广东、河北、四川等地的专科院校、科研机构和玻璃企业研制开发玻璃产品；在国际上，英国、日本、北美、英国、澳大利亚等国家也即将形成销售玻璃的玻璃市场。

水玻璃在选矿中是一种应用非常广泛的调整剂，对石英和硅酸盐等脉石矿物有良好的抑制作用水玻璃又可作为分散剂能够在选矿脱泥作业中对改善泡沫性能起到很好的作用。

通过对水玻璃进行改性处理，可以显著提高其选择性抑制效果。

水玻璃和其它药剂的组合使用，也可以提高其选择性抑制作用。

如此说来，水玻璃的市场是不容小觑的，发展前景一路看好。

参考文献
[1] Roy Della M.Alkali-activated Cements:Opportunities and challenges cement and conerete research ,1992,29(2)249-254.
[2] Wu xuequan ,Jiang weimin ,Roy DM .Early activation and propenties pf slag cement, Cement and Concrete Research, 1990.20(9）[3] Yaw.A.Owusa,Physical-chemical study of sodium silicate as a Found sand binders[J],Advances in colloid and Tnterface Science 1982(18)57-91
[3] Yaw.A.Owusa,Physical-chemical study of sodium silicate as a Found sand binders[J],Advances in colloid and Tnterface Science 1982(18)57-91
朱淳熙，卢晨，季敦生，水玻璃砂基础理论[M]。

上海：上海科学技术出版社，2000
[4] 朱淳熙卢晨温文鹏等，水玻璃砂硬化的新概念[J]，铸造，1994.21（1）9-13
[5] 杨海龙，倪文，陈德平等，水玻璃制备纳米孔二氧化硅气凝胶块体材料的研究[J]功能材料，2008.9（39):1525-1531
[6] 郭建雷，外掺料对水玻璃耐酸砂浆的改性作用（D），合肥：合肥工业大学
[7] 雷少云，改性水玻璃耐酸混凝土在有色冶金工业中的应用[J]腐蚀与防护，1992,20（12)548-550
[8] 张高展，新型工业废渣双液注浆材料的研究与应用[D]武汉：武汉理工大学，2007
[9] 王继娜，张力等，典型方法和材料对水玻璃的改性效果与机制[J]。

铸造技术，2006,27(12)1303-1306
[10] 李文江，赵审，宋丽珠等，水玻璃为原料咋爱开放体系中快速合成介孔材料（MCM-41[J]),高等学校化学学报，2001.22（6）。

1013-1015
[11] 何方，赵海磊，张秀华，水玻璃常压制备多孔材料[J]功能材料，2005,7（36）1083-1089
[12] 李春丽，一种新的催化剂载体的研制[D]，武汉:武汉理工大学。

[13] 徐峰有机-无机复合材料的研制[J]，现代涂料与涂层，2001（6）9-11
[14] 杨静，王磊等，矿粉水玻璃系外墙涂料的制备机理研究[J]，新型建筑材料，2008（8）78-80.
[15] 夏宇华，赵宗亮无机分离膜多孔陶瓷载体的研制[J]。

华南理工大学学报，1997（9:1083—1089）
[l6] 张健,吴基球,有助磨作用的陶瓷添加剂、陶瓷，2001 .( 2)18—22
[17] 朱玉箱，朱建光．浮选药剂的化学原理[ M] ．长沙：中南工业大学出版社，1996
[18] 李军, 黄循良．水玻璃在浮选氧化铜矿中的应用[ J ] ．海南矿冶，1998， ( 4 )： 9 — 1 O
[19] 曾健，李崇德．提高永平铜矿铜精矿品位的探讨[ J ] ．矿冶， 2003， ( 2 )： 38 — 40
[20] 周维志．萤石浮选技术的新进展[ J ] ．广东有色金属学报，1998 ，( 1 )：1 —7
[21]朱益友，张强．卢寿慈．酸化水玻璃在萤石浮选提纯中的作用[ J ]矿冶工程，1996．( 3 ) { 2 9 —3 2
[22]黄宝光．白钨降磷试验研究与生产实践口] ．广东有色金属，1997 。

( 4 )：1 O 一1 3
[23]叶雪均，刘军等．某低品位白钨矿浮选试验研究E J ] ．中国钨业，2006 ，( 5 )： 2 O 一23
[24] 张忠汉，张先华难选白钨矿选矿新工艺的研究[ J ]．广东有色金属学报．2000 ，( z ) ：84 —87
[25] 高玉德．黑钨细泥浮选中高效浮选剂的联合使用[ J ]．有色金属(选矿部分)，2000，( 6 ) ：41 —43
[26] 李值．用改性水玻璃浮选钼矿石[ J ]．有色金属( 选矿部分) 2003，( 3 )：33—34
[27]刘莉君，荣国强等，对玻璃和六偏磷酸钠在制备洁净煤过程作抑制荆的试验研究[ J ] 选煤技术，2007 ，( 1 )：12—14
[28]丁长云．4 0 #捕收剂提高细级别尾砂选硫技术指标的研究口]甘肃冶金，2003，( 12 )：54 —56
[29]马俊伟，隋智通等．钛渣中钙钛矿的浮选分离及其机理[ J ]．中国有色金属学报． 2002．( 1 ) ；171 —177。