鈉水玻璃涂料的固化機理

     硅酸鈉俗稱泡花堿，由石英砂及純堿經過高溫熔燒水翠再融化等一系列反應后制得，是一種水溶性硅酸鹽，其水溶液俗稱水玻璃，也是一種礦黏合劑。通常情況下分為鈉水玻璃和鉀水玻璃兩種，其中鈉水玻璃的應用最為廣泛，其化學式為R2O·nSiO2，式中R2O為堿金屬氧化物，n為二氧化硅與堿金屬氧化物摩爾數的比值，稱為水玻璃的摩數。建筑上常用的水玻璃是硅酸鈉的水溶液。 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、不燃無煙, 加以適當填料可耐1000℃的高溫。鈉水玻璃涂膜靜電塵埃附著少, 霉菌難于生長。由于鈉水玻璃有著有機材料所沒有的優越性, 加之資源豐富、價格低廉, 因此作為一種新的無機粘結材料, 再次成為人們研究的對象。  

1 鈉水玻璃涂料的固化技術及應用       

鈉水玻璃分子式:N a2O ·nSiO 2+ m http://www.qianmianyudou.cn/H2O , 其結構式: N a—O ` SiO—O e N a+ m H2O。n 為模數, 其值越大耐水性越好, 而粘結性越差。n 是鈉水玻璃的一個重要技術指標, 其計算方法: n =SiO 2àN a2O à ×1. 032, 1. 032 是SiO2 和N a2O 分子量之比。鈉水玻璃的另一技術指標是比重d 或波美度Be °。二者之間的關系是Be °= 145-145d。建筑涂料使用的水玻璃一般以n=3.1-3.3,Be°=35-40度為宜。從結構式看出, 由于分子兩端的N a+ 可以游離而進入溶液, 所以鈉水玻璃可溶于水。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。鈉水玻璃涂料的產生和發展與其固化技術緊密相關。目前鈉水玻璃涂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      常溫下涂料中的水份蒸發, 水玻璃中的硅酸陰離子聚集成膜,Na+ 無規則地分布在涂膜中。涂膜中存在較多的Si—OH 鍵, 遇水易溶, 涂膜破壞。當溫度升高時, 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涂膜。N a+ 處于三維結構膜的封閉狀態中, 遇水不溶。固化溫度升至200℃以上, 即可得到耐水性極好的涂膜。成膜過程可用下列反應表示3 :  N a2O õ nSiO 2 + (2n + 1)H2O 2N aOH + nSi(OH) 4 nSi(OH) 4 [Si(OH) 4 ]n- 2nH2OSiOO SiOSi O Si   加熱固化只能局限于建筑裝飾板涂膜的處理, 對于建筑物內外表面大面積的涂膜就難于奏效了。      

2.固化劑

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，固化劑可分為三類：

(1)  氟硅化物  本世紀四十年代, 普遍使用氟硅酸鈉作為固化劑。其水溶液顯弱酸性(pH · 3) , 和水玻璃  水解出的堿發生反應, 使水玻璃的水解向生成硅酸溶膠的方向進行,改性后的涂膜耐水性很好。其反應可用下式表示:  2 (N a2O õ nSiO 2) + N a2SiF6 + m H2O 6N aF + (2n + 1) SiO 2õm H2O    

(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。水玻璃涂料和固化劑為兩組份包裝�？s合磷酸鋁呈弱酸性, 水解釋放出的質子使水玻璃凝膠化, 生成硅酸溶膠。釋放出質子后的縮合磷酸鋁與水玻璃中的N a+ 生成難溶于水的復鹽, 使N a+ 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墻涂料。涂膜的耐水性取決于磷酸鋁的縮合度, 縮合度又與配料比和焙燒溫度有關, 一般配料比∶A l2O 3∶H3PO 4= 1∶1. 5～ 3, 焙燒溫度為500～700℃, 焙燒時間為8～ 12 小時。這種外墻涂料耐水性雖好, 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+ , 并能保證一定的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。從價格和來源等各方面綜合考慮, 使用最多的是硫酸和鹽酸。酸和鈉水玻璃發生反應生成硅酸溶膠, 以鹽酸為例反應式如下:  N a2O õ nSiO 2 + m H2O + 2HCl 2N aCl + nSiO 2õ (m + 1)H2O。