钠水玻璃涂料的固化技术及其应用

钠水玻璃涂料的固化技术及其应用

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·n SiO2+m H2O , 其结构式:N a —O`Si O—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 =SiO2àN a2O à ×1.032, 1. 032是Si O 2 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B°。二者之间的关系是B °=145-145d。建筑涂料使用的水玻璃一般以n·3,B°·40 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,N

a+无规则地分布在涂膜中。涂膜中存在较多的Si—O H 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S i—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 a2OõnS iO2+(2n + 1)H2O2N a OH+n Si(OH)4

nSi(OH)4[Si(OH)4]n-2n H2O SiO O Si OSi O S i

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。

固化剂固化

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。固化剂可分为五类。

(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 a2Oõn SiO2) + N a2S iF6+m H2O6N aF+(2n + 1)S iO 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∶H3P O4=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 a2OõnS iO2+m H2O + 2HC l 2N a Cl+nS iO2õ(m + 1)H2

O

在改性过程中, 使用的酸量越多,生成的硅酸溶胶浓度越大,

耐水性越好。但硅酸溶胶浓度过大,胶体存放时间短,涂料不稳定。因此酸改性一般用在耐水性要求不高的内墙涂料较多,产品多为钠

水玻璃、聚乙烯醇类。涂料为单组份包装,涂膜性能指标、涂料贮存

性、施工性能均好。

(4)金属氧化物和可溶性的金属盐

金属氧化物有氧化锌、氧化镁、氧化钙等。可溶性的金属盐为锌、钙、镁、铝等多价金属的碳酸盐、硫酸盐和氯化物。这类固化剂与钠水玻璃反应,除生成硅酸溶胶外,还生成一种不溶于水的白色胶状沉淀。这类沉淀不但悬浮性好, 而且具有一定的遮盖能力。因此这类改性不但提高

了涂膜的耐水性,而且还可节省一定量的聚乙烯醇和填充料。

可溶性的金属盐与钠水玻璃反应式如下(以M gCl2 为例):N a2OõnS iO2+m H2O + M gCl2 2N aC l + M g(O H)2↓+ nSi O 2õ(m-1)H2O

我们曾对金属无机盐改性钠水玻璃进行了较深入的研究,1987年和1991年分别研制出两个系列的涂料品种, 聚乙烯醇用量降至1 6kgöt 涂料,各种性能指标均达到或超过106 涂料部颁标准。该项技术在省内外推广十几个厂家,厂方收到明显的经济效益。用可溶性的金属盐改性钠水玻璃的过程中, 不同的金属盐对钠水玻璃种类要求不同,无机

盐用量不同, 所采用的工艺路线也有所不同, 忽视了任何一点都将导致改性技术的失败。

用钙盐改性时不可使用芒硝制的水玻璃, 因为这种水玻璃含有大量的SO2-4 。由于

Ca (OH) 2 比Ca SO4的溶解度(S)大很多(25℃时S Ca(OH)2

= 2. 2 ×10- 2mo löL,S Ca SO4= 3.6×10-4mo löL ) , 钙盐与S O 2-

4 生成C aSO4, 而不是C a (OH)2, 因此导致涂料粘度减小, 附着力

差,涂膜易掉粉。由于芒硝价格比纯碱低廉, 乡镇厂家生产的水玻璃大部分使用芒硝,所以钙盐改性的方法在使用中受到一定限制。

使用纯碱制的水玻璃用钙盐改性时,除了生成硅酸溶胶外还生成白色的C a (OH) 2 沉淀。Ca(O H ) 2 的溶解度随着温度升高而降低(0℃时S=0.185gö100m l水, 100℃时S=0.077gö100m l 水),涂料生产时罐中温度高于室温, 因此从反应罐放出的涂料冷至室温后有返稀现

象。使用涂—4杯粘度计控制涂料稀稠度时, 应以冷至室温时为准,一般粘度为40秒左右适宜涂刷。

用铝盐改性时,对钠水玻璃品种没有特殊要求,因为S O 2-4的存在不影响 A l (OH) 3 沉淀的生成,所以使用芒硝制的水玻璃同样可以得到良好的改性效果。A l(OH)3沉淀的溶解度不随温度变化,涂料没返稀现象, 稀稠度易控制。在用铝盐改性时,加料时间的控制是至关重要的,因为无定形A l(OH) 3 的溶度积常数值很小(K s p= 1.3×10- 33),所以改性时正反应进行的趋势很大, 如果水玻璃加入迟缓,铝盐将会与改性聚乙烯醇的水玻璃反应,破坏了聚乙烯醇的改性,从而导致涂料粘度大大降低, 涂膜掉粉。

铝盐与钙盐改性相比,由于生成的A l(OH)3是一种无定形