建筑材料水玻璃的现状和发展前景

建筑材料09本科生论文

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河北工业大学建筑与艺术设计学院

建筑材料09本科生论文

【摘要】随着世界各国对环境和健康的日益重视，无机建筑涂料以其优良的环保性和耐候性等已越来越受到人们的重视。无机涂料属环境友好型涂料，其开发应用符合人类可持续发展原则，具有广阔的发展前景。

【关键词】水玻璃；无机涂料；水玻璃耐酸混凝土；可持续发展

水玻璃在国民经济中的地位越来越显要，现代科技发展已预示到，水玻璃可以应用到经济建设的各个领域，而且建筑业的应用越来越广泛深人.无机涂料与有机涂料相比，具有省能源、无公害、无污染等优点。因此，对无机涂料的研究日益引起人们的重视，尤其是水玻璃无机涂料原材料来源丰富，防火性能好，价格低廉，以致发展较为引人注目。

无机涂料以水玻璃、硅溶胶等为主要基料，原料往往直接取材于自然界，来源丰富。相对有机涂料来说，无机涂料的生产对环境污染小、能耗低，产品多数以水为分散介质，无环境及健康方面的不良影响，属环境友好型涂料。同时，无机涂料的耐老化性及其它某些性能也是大多数有机涂料难以比拟的。

以住的水玻璃无机涂料，大多是借助于固化剂的作用，才使涂膜具有较好的耐水性和实用性。但是，配制水玻璃无机建筑涂料通常使用的磷酸盐系和硼酸盐系固化剂，存在以下缺点：1、原材料价格较高；2、生产工艺复杂；3、能耗大；4、由于前述原因，固化剂造价高。同时，由于这些固化剂必须与涂料组分作为双组分涂料分开包装，在施工现场按比例配制使用，给施工带来极大不便。另外，有时受条件限制，往往不能按比例配制，搅拌不匀，影响涂料的使用效果。甚至受施工期影响，还会造成不必要的浪费。

很早就有无机富锌防锈底漆问世，其具有优良的防锈性能。后来无机涂料逐步扩大应用于建筑内、外墙，特别是因无机涂料具有耐热、防霉、阻燃等特点，在许多功能涂料中获得应用。随着人们对环境和健康的日益重视，世界各国对挥发性有机化合物（VOC）排放标准要求不断提高，无机涂料的开发应用已越来越受到人们的重视。近年来，国外涂料界非常重视发展水性无机涂料，技术上已有较大突破，对其成膜机理的研究也较为深入；国内也有一定的发展，至今已相继开发了数十种无机涂料。

一、无机建筑涂料的主要基料

1、水玻璃的种类及组成

水溶性硅酸盐俗称水玻璃，分子通式为M2O·SiO2·nH2O，M可以是锂、钠、钾、铵等离子，m 为模数。

根据M离子的不同，水玻璃可分别称为锂水玻璃、钠水玻璃、钾水玻璃、铵水玻璃等。锂水玻璃和铵水玻璃价格高，钾水玻璃价格适中，钠水玻璃价格低廉。钾水玻璃和钠水玻璃都有很好的粘结性和成膜性，应用较为广泛。其中，钾水玻璃或钾钠混合水玻璃制备的涂料成膜性比钠水玻璃好。

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模数m代表水玻璃中SiO2/M2O的值，一般为1~4，随着模数的提高，涂膜的耐水性、耐热性相对提高，但成膜性和附着力降低。如钠水玻璃，模数为4~4.5时耐水性最好，模数为3.3 时粘结强度最高。模数低的水玻璃耐水性不好，很少使用；模数高于4 的水玻璃难溶于水，制备困难，使用也不方便。因此涂料用水玻璃的模数一般为3~4。

2、水玻璃的特性

水玻璃为无色、青绿色或棕色的固体或粘稠类液体，其组成中包含无定形的二氧化硅、水合物、氢氧化物、正硅酸以及多种聚硅酸盐阴离子等。阴离子的种类及其含量与水玻璃的模数及pH值有关。硅酸倾向于聚合成环形结构，环与环之间形成较大的球状单元，球状单元凝聚成最紧密堆积状态，

而（SiOH）3+和（SiO）2+基团朝向球状单元外部。促进离子化和

聚合的—OH也同时促进水解和解聚，所以形成—S i—O—Si—键的聚合过程是可逆的。

水玻璃的粘结性能良好，硬化时析出的硅酸凝胶可堵塞毛细孔隙而防止水渗透，耐热、耐燃性好，耐酸性极好。

3、水玻璃的固化

液体水玻璃暴露在空气中，形成无定形硅酸，并逐渐干燥固化，反应式为：

上述反应中，上述反应中，M为碱金属离子，如Na、K 等；m为水玻璃模数；x为不小于1的自然数。

该过程自然进行时很缓慢，且不完全。因此，为加速固化和提高涂膜的耐水性常加入固化剂。现在常用的固化剂有缩合磷酸盐（Al、Mg、Ca盐等）、氧化物、硼酸盐等。

4、水玻璃的改性

水玻璃用作涂料基料时其耐水性欠佳，因此，需通过采取改性措施来提高其耐水性及其它性能。改性时应综合考虑反应时间、粘度、耐水性、凝胶时间和配伍性等。

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（1）酸改性

向水玻璃中加入无机酸或有机酸可对水玻璃进行改性，用于改性的酸有硫酸、磷酸、醋酸或其它一些有机酸等。据有关资料介绍，使用长碳链的二元酸或多元酸对水玻璃进行改性可以取得更好的效果。酸改性水玻璃的机理可以使用酸碱反应解释。例如，使用硫酸对水玻璃改性的机理为：由于钠水玻璃[结构为NaO(SiO)nNa]中的Na—O键与Si—O键对H+不稳定，

引入硫酸可使水玻璃的模数提高，增大—Si—O—Si—链的网状结构。同时再加入有机助剂，用憎水基取代部分水玻璃两端的Na+，有利于提高水玻璃干燥成膜后的耐水性。

（2）与合成树脂乳液复合改性

将合成树脂乳液作为辅助成膜物与水玻璃复合使用时，

合成树脂可以填充在—Si—O—Si—网状结构的间隙中，屏蔽残存的羟基，减少涂膜对水的敏感程度，并提高涂膜的韧性和抗冲击性能。应该注意的是，二者复合时只有电性能相一致才能保证混合体系的稳定性，否则将出现凝胶化和破乳，得不到稳定的涂料体系。

（3）水玻璃的综合改性

将钠水玻璃进行酸改性后，再复合以苯丙乳液作为基料，制成有机—无机复合建筑涂料。这种涂料的成本较低，具有长期贮存稳定性；涂膜具有很好的耐水、耐洗刷性等。因而，也是降低涂料成本，提高无机涂料性能的有效方法。

2、无机建筑涂料的种类及生产

6+" 主要品种

无机建筑涂料的主要品种包括：以硅酸钾为主要基料的单组分或双组分无机外墙涂料，以硅溶胶为主要基料的单组分无机外墙涂料，以改性钠水玻璃为主要基料的建筑内墙涂料，及无机防火涂料，无机防霉涂料，无机绝热涂料，无机防结露涂料，无机防水涂料，无机—有机复合型砂壁状涂料，无机—有机复合型复层涂料，水泥—苯丙乳液外墙涂料等。

二、无机涂料的优势及性能特征

1、无机涂料的资源优势

大部分无机涂料的基料都是以极普通、储量极为丰富的天然矿石或金属氧化物等为原料（例如石灰石、黏土、石英砂）。因而，无机涂料的原料十分丰富，而且生产工艺也不复杂，能耗相对较低。这与以完全依赖石油化学工业并以石油化工产品为主要原料的有机涂料相比无疑具有很大的资源优势。

2、无机涂料的环保优势

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