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无机涂料之碱金属硅酸盐涂料

作者:许士龙 等日期:2021-06-14浏览:184
导读:碱金属硅酸盐涂料又称水玻璃基无机涂料,它是以硅酸钾和硅酸钠为成膜物质的一类涂料,其主要组分是水玻璃、固化剂、填充料以及颜料和辅助剂等。

碱金属硅酸盐涂料又称水玻璃基无机涂料,它是以硅酸钾和硅酸钠为成膜物质的一类涂料,其主要组分是水玻璃、固化剂、填充料以及颜料和辅助剂等。

成膜物质

碱金属硅酸盐涂料的成膜物质是水玻璃。水玻璃是一种透明的玻璃状熔合物,常呈绿色、黄色或介于二色之间的各种色泽。它的化学式为R2O·nSiO2,其中R2O 为碱金属氧化物,n 是水玻璃的模数,R 可以是钠、钾、锂或铵四种离子之一,相应的,水玻璃可分为钾水玻璃、钠水玻璃、锂水玻璃、铵水玻璃。锂水玻璃和铵水玻璃价格太高,实用价值不大;钾水玻璃价格中等,钠水玻璃因价格低廉,用途范围最广。

目前国内碱金属硅酸盐涂料随着水玻璃的类型不同,大致可以分为钾水玻璃涂料,钠水玻璃涂料,钾、钠水玻璃涂料3 种。

水玻璃的成膜机理

硅酸盐薄膜属于一种强碱性弱酸性的盐,当它直接溶于水中时,硅酸盐其根部的氢氧离子快速不断地被水解,聚合形成一个原硅酸盐Si(OH)4,单个非酸性分子原子的硅酸在各种电解质的相互作用下不断地进行聚合,成为一种高聚物的多聚原硅酸,然后逐步通过脱水生成一种类似于纳米管的环状薄膜结构的酸性薄膜涂层胶体,称为多聚二氧化硅,这也就是硅酸盐薄膜涂层的结构主体,以硅酸钠涂层为主要代表,具体生物化学反应过程如下:

Na2O·nSiO2+(2n+1)H2O = 2NaOH+nSi(OH)4

nSi(OH)4 →[Si(OH)4]n →nSiO2 +2nH2O

关于水性玻璃涂料的主要成膜工艺和机理,另外还有一种观点认为,水性玻璃涂料是将溶液涂刷到物体表面,立即与室内空气中的CO2 进行反应,生成原硅酸,单个分子中的原硅酸逐步聚合干燥,形成一种黏结网络的组织,固化后再成膜,其中相互作用的反应方法可参见下式:

Na2O·nSiO2+2nH2O+CO2→Na2CO3+ n Si(OH)4

nSi(OH)4→[Si(OH)4]n→nSiO2+2nH2O

水玻璃成膜物质的优势

水玻璃对涂料的性能起着决定性作用,其主要优势有:

(1)粘结稳定、强度相对较高:由于水性水玻璃具有良好的玻璃粘结稳定能力,在玻璃硬化处理过程中玻璃析出大量的硅酸盐水凝胶,具有有效堵住毛细管孔隙并有效防止水和雨水直接渗入的作用。

(2)耐热腐蚀性优良:硅酸水玻璃几乎没有任何物质可以燃烧,在一定的高温下使用硅酸盐水凝胶玻璃会加热使其干燥的更加坚硬,强度也不会因此大大降低,甚至有人会说没有变化。故此耐水性隔热玻璃主要就是用于配置耐热水性混凝土、耐热水性砂浆、耐热水性塑料和橡胶泥。

(3)耐酸性强:水玻璃材料具有一种能够同时持久承受除饱和氢氟酸、过热(300 摄氏度以上)饱和亚磷酸、低级饱和脂肪酸或者是高级油酸以外几乎全部的无机酸和有机酸腐蚀作用,可以广泛应用在耐酸改性混凝土、耐酸改性砂浆、耐酸改性塑料和橡胶泥等。

水玻璃作为成膜物质的缺点是耐碱性、耐水性较差。将氟硅酸钠添加到水玻璃中,仍然不能完全硬化,仍然含有一定数量水玻璃。由于水玻璃本身可直接溶于酸和碱,水玻璃的凝胶中OH-和Na+都有亲水力,故而水玻璃很易溶于水,所以这种水玻璃在硬化后不耐碱,也不耐水。因此要想让无机涂料拥有良好的防水性,必须要大幅度地提高它的耐水性。

提高水玻璃涂料耐水性的方法

目前提高水玻璃涂料耐水性的方法主要有以下途径:

(1)温度加热进行固化。D.Glasser研究认为,当温度达到80℃以上时水中的分子再次重排并对其与水中相邻的不同硅基和醇基之间分子发生缩合反应产生催化作用,进一步将其温度加热到120~130℃以上,残存在水中的分子重排会直接促使相邻硅基和醇基的再次缩合,形成坚固的三维晶体结构;Na+、OH-则被直接通过关闭在三维晶体框架结构的一个笼子里而固定,加热后的温度可以达到20℃,耐水性大大提高。1971 年由日本技术开发专家研制成功的新型无机空气水性隔热玻璃涂料建筑装饰涂料,它主要是一种利用普通无机空气水性喷涂剂的方法直接喷涂于无机水性基材上,在250~300℃下再经低温加热焙干煅烧1h后即可加工制备生产出隔热性能极好的无机水性涂膜。涂装此类装饰涂料的新型石棉装饰材料在我国高层建筑中室内装饰上的使用已经可以拥有20 年的连续使用寿命。

(2)水玻璃的改性。一般都认为是通过从中添加合适的化学物质,使某些可憎或耐水的基质团可以去除或通过替换其他的耐碱性强的金属组成分子的两端,来增强其耐水性。改性在处理时还需要充分考虑到水的黏性、耐水性、凝胶期与改性凝胶之间的相互影响等关系。李振阳用无机酸对钠水玻璃进行改性,改性后的玻璃薄膜于水中连续多次浸渍6 个月依旧能够保持水洗而不发生破损。陈秀琴采用适量的磷化氟硅酸钠作为改性剂和各种有机胺缩合促进剂对基料中的各种水玻璃薄膜进行缩合改性,协调其薄膜黏度、耐水性与粘固凝胶持续时间的相互关系。以氨基磷酸、氧化硅、氧化锌、铝酸铁盐、钙磷酸盐及氯化钼盐等产物作为主要合成原料,应用磷酸氟硅酸盐作为固化剂,用有机固化剂加速水玻璃的改性聚合和磷酸二氧化硅凝固溶胶的缩合,并用盐酸苯丙乳液作为辅助玻璃成膜的主要物质,然后通过运用复合正交法工艺进行各种优选材料配方,制得一种具有良好耐水性、附着性和能力较好的具有防腐蚀性能的玻璃成膜复合材料。

(3)固化剂固化。由于这些水溶性玻璃涂层经过保湿固化处理后会产生残留水,含有大量的水溶碱,从而也会使得它们的耐水性较弱,易于回收或者不易返潮,不太适用于潮湿的建筑环境,故对于水溶性玻璃墙体涂层尤其是各种建筑材料必须同时添加含有一定量的固化剂,以达到提高它们的涂层耐水性和固化的效果。固化剂和碱性水合金属的阳离子之间直接发生的化学反应不仅产生了和水不能互溶的有机化合物,并且直接促进了二氧化硅离子胶体的进一步收缩从而形成了具有耐水性的涂膜。这一技术,国外称为“碱金属离子的固定化技术”。目前常见的无机固化剂主要包括缩合后的磷酸盐、氟硅酸盐、金属的氧化物、有机化合物等。邱学婷等人利用磷酸硅固化剂比较好地解决了目前普通水玻璃材料中的耐水性差这一缺点。禹良才以水玻璃为主要成膜物质,以氟硅酸钠作为固化剂,通过有机水氟硅丙烯酸酯固化乳液和水溶性玻璃共同进行混合,克服了传统普通水溶性玻璃成膜材料不耐高温和玻璃涂层面的柔韧性差等多种缺点,赋予了内墙装饰涂料优越的可抗高温耐寒、抗热、弹性、抵受空气污染、防火和高耐候等性能特点,研制开发出了一种新型绿色环保型有机内墙装饰涂料。

(4)涂覆保护层。在水性玻璃涂膜中表面干后再在其上涂覆另外一道水性材料,例如甲基硅酸钠作为其保护剂,可进一步改善涂膜的抗水性、耐冻融性、硬度以及抗污染等能力。如NW-811 无机外墙涂料施加保护涂层时,耐水天数从6070 天增加到了10110 天,墙壁硬度从6H 提高到了9H。

发展展望

近年来我国已有不少水玻璃类建筑涂料产品研究成功。但这些产品在性能上、装饰效果上还不很理想。随着理论研究的深入、实践经验的积累,应集中力量研究性能优异、价格便宜的水玻璃建筑涂料。并且,水玻璃无机涂料原材料来源丰富,防火性能好,价格低廉,是一种优良的防腐涂料。因此研究价格低廉的钠水玻璃涂料的改性技术很有实用价值。

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本稿资料来源:许士龙, 王文硕, 靳通, 杨彭, 谷慧敏, 王志义. 无机涂料的种类、机理及展望 [J]. 山东陶瓷, 2021, 44 (1): 1-8.

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