發布時間：2022-06-01所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要:隨著化學工業技術的進步與發展硅酸鹽粘結劑作為一種常見的無機膠其被廣泛的應用于社會各個領域之中在建筑、化工、包裝等行業中發揮著重要作用 目前雖然硅酸鹽粘結劑在材料性能上具有良好的環保性、抗腐蝕性、粘接性強等特點但是隨著硅酸鹽粘結劑粘接時間的推移其
摘 要:隨著化學工業技術的進步與發展ꎬ硅酸鹽粘結劑作為一種常見的無機膠ꎬ其被廣泛的應用于社會各個領域之中ꎬ在建筑、化工、包裝等行業中發揮著重要作用ꎮ 目前ꎬ雖然硅酸鹽粘結劑在材料性能上具有良好的環保性、抗腐蝕性、粘接性強等特點ꎬ但是ꎬ隨著硅酸鹽粘結劑粘接時間的推移ꎬ其材料性能容易降低ꎬ尤其是對于一些陶瓷、玻璃、金屬等粘接要求高的產品ꎬ更無法充分發揮出硅酸鹽粘結劑的化學效能ꎮ 主要以 K2Ti6O13晶須為化學物ꎬ對硅酸鹽粘結劑進行一定的改良ꎬ通過硅酸鹽粘結劑的化學改良與制備ꎬ分析其改良后的綜合性能ꎬ以期促進硅酸鹽粘結劑更好的使用ꎮ
關鍵詞:化學改性ꎻ硅酸鹽ꎻ材料特性ꎻ粘結劑ꎻ制備方法ꎻ粘接強度
目前化工領域中ꎬ無機膠粘劑主要有硅酸鹽和磷酸鹽兩大體系ꎬ而硅酸鹽是無機膠粘劑類型中應用最廣的材料ꎮ 從硅酸鹽的化學特性上來看ꎬ硅酸鹽是 Si 和 O 與 Al、Fe、Mg、Ca、Na、K、P、Ti 等結合而成的化合物ꎬ具有成分多變、結構復雜、熔點較高、化學性質穩定等顯著特點ꎮ 通過以硅酸鹽為主要原料制備而成的無機膠粘劑ꎬ具有較好的粘接性ꎬ能夠滿足一般陶瓷、玻璃、包裝材料、塑料、建筑材料、金屬等材質的粘接需求ꎮ 但是ꎬ對于傳統的硅酸鹽粘接劑仍然存在著一些顯著性缺點ꎬ如耐水性差、固化條件高、粘接強度易隨時間推移而降低等等ꎮ 對此ꎬ通過對硅酸鹽粘接劑的性能進行化學改良ꎬ有利于增強硅酸鹽粘接劑的性能穩定性ꎮ 而目前縱觀國內對硅酸鹽粘接劑的改良方案ꎬ雖然實驗原料較為豐富ꎬ但是主要受行業歡迎的改性材料仍然屬 K2Ti6O13晶須ꎮ 本文以 K2Ti6O13晶須為改性輔助材料ꎬ通過對 K2Ti6O13晶須與硅酸鹽的結合制備ꎬ獲取化學改性后的硅酸鹽粘接劑ꎬ以期為我國化學工業研究硅酸鹽粘接劑領域提供參考ꎮ
1 硅酸鹽及化學改性硅酸鹽粘接劑概述
1.1 硅酸鹽
硅酸鹽是 Si 和 O 與 Al、Fe、Mg、Ca、Na、K、P、Ti等結合而成的化合物ꎬ具有成分多變、結構復雜、熔點較高、化學性質穩定等顯著特點ꎮ 硅酸鹽是構成地殼礦物和巖石的主要對象ꎬ也是硅酸鹽陶瓷、玻璃、耐火材料和水泥等工業制品的關鍵組分ꎬ還是制取單晶硅、多晶硅、二氧化硅氣凝膠以及各種硅系有機化合物等新型材料的重要材料ꎮ 硅酸鹽礦物的基本結構是硅-氧四面體ꎻ在這種四面體內ꎬ硅原子占據中心ꎬ4 個氧原子占據 4 角ꎮ 這些四面體ꎬ依著四面體ꎬ依著不同的配合ꎬ形成了各類的硅酸鹽ꎮ 硅酸鹽結構眾多、種類繁多ꎬ有島狀的橄欖石、層狀的石英、環狀的蒙脫石等ꎮ 它們大多數熔點高ꎬ化學性質穩定ꎬ是硅酸鹽工業的主要原料[1] ꎮ
1.2 化學改性硅酸鹽粘結劑
化學改性硅酸鹽粘結劑是指以化學輔助原料與硅酸鹽結合后ꎬ通過一定的化學工藝制備而成的新的硅酸鹽粘結劑ꎮ 硅酸鹽雖能夠直接經過加工制備得到無機膠ꎬ但在一些特殊情況下ꎬ仍無法發揮出原料的化學性能、物理特性ꎬ只有通過改性劑的改良ꎬ才能提高硅酸鹽粘接劑的綜合性能ꎮ 目前ꎬ化工領域中可用于硅酸鹽粘結劑改性的原料較多ꎬ如粘土、石棉粉、晶須等ꎮ 其中ꎬ晶須是近年硅酸鹽粘結劑改性的主要原料ꎬ它與粘土、石棉粉相比ꎬ其化學性能更加穩定ꎬ尤其是晶須體系中的 K2 Ti6O13晶須ꎬ其具有無毒無害、化學性能穩定、化學融合性強等特點ꎮ 本文主要以 K2Ti6O13晶須為改良劑ꎬ將其與硅酸鹽粘結劑結合ꎬ通過化學改性與制備ꎬ增強硅酸鹽粘結劑性能[2] ꎮ
2 化學改性硅酸鹽粘結劑的材料特性
耐熱性與環保性是任何一種粘結劑關注的要點ꎬ目前ꎬ根據對硅酸鹽粘結劑的材料特性數據掌握程度來看ꎬ市場上主流的化學改性后硅酸鹽粘結劑都具備了良好的耐熱性與環保性ꎬ并且化學改性硅酸鹽粘結劑往往具有高強度性、應力小的特點ꎮ由于化學改性硅酸鹽粘結劑是在硅酸鹽原料的基礎上加入一定量的改性劑ꎬ通過其他化學原料與硅酸鹽原料的結合ꎬ在化學工藝制備下ꎬ獲取新的硅酸鹽粘結劑ꎮ 因此ꎬ改性后的硅酸鹽粘結劑往往具有化學穩定性能強的特點ꎬ并且ꎬ該粘結劑的適用范圍較廣ꎬ不僅廣泛的適用于工業領域之中ꎬ更適用于生活的日常設備、物體粘接中ꎬ整體上具有顯著的粘接性能強、化學物質穩定性強、適用范圍廣、粘接時間長、經濟實惠及易制備等特點[3] ꎮ
3 化學改性硅酸鹽粘結劑制備方法
3.1 實驗原料與儀器
在試驗原料的選取上ꎬ主要以 K2Ti6O13晶須為改性劑ꎮ 先取充足的純 TiO2和 K2CO3化學原料ꎬ按照晶須提純與提煉的化學方法ꎬ在標準的實驗環境下進行化學合成ꎬ將取得的 TiO2和 K2CO3兩種原料物質進行研磨ꎬ過 60 目篩后將兩者按物質的量比5 5 ∶ 1 配料ꎻ干燥后用 XA-1 型高速萬能粉碎機研磨干混ꎬ再將混合好的原料放人陶瓷坩堝中ꎬ在馬弗爐中于 1 000 ℃溫度下進行固相反應ꎬ然后隨爐冷卻到室溫ꎬ從而獲取 K2Ti6O13晶須ꎮ 在試驗儀器上ꎬ主要選用了 XA-1 型高速萬能粉碎機及日本島津公司生產的 AG-250KNI 電子精密材料試驗機等等[4] ꎮ
本文來源：《粘接》Adhesion magazine,創刊于1980年，是我國第一批公布的學術期刊，面向國內外公開發行，注重國內外粘接及化學、化工領域的新理論、新動態、新成果、新技術、新產品、新設備和新材料等前沿信息服務，保障科學研究，服務現代社會為己任，始終堅持面向專家學者，面向廠礦企業，面向大專院校、面向社會大眾的服務宗旨，為我國化學工業學科的研究、學術交流和教育事業的發展正在全力以赴。
3.2 化學實驗方法與制備流程
首先ꎬ將獲取的 K2Ti6O13晶須作為改性劑ꎬ按照不同質量分數加入到物質量比為(0.4 ~ 0.7) ∶ 2 的混合填料中ꎬ混合填料的主要化學原料成分為金屬鋁粉與 A12O3 ꎬ通過 K2 Ti6O13晶須與混合填料的結合ꎬ獲取新的無機膠粘劑原料ꎬ然后再將新的混合化學物以 70% ~ 80%的質量分數加入到模數為 3.1的硅酸鹽原料中ꎬ通過攪拌機對實驗樣品進行充分攪拌ꎬ使得混合物的 pH 值大于 9ꎬ即獲取新的改性膠粘劑ꎮ 其次ꎬ固化劑優化ꎬ粘結劑中最重要的化學物質主體就是固化劑ꎬ通常情況下ꎬ固化劑在整個化學改性硅酸鹽粘結劑制備中發揮著物質固化與融合的作用ꎮ 以本實驗中化學改性硅酸鹽粘結劑制備的需要ꎬ重點選取了二氧化硅固化劑ꎬ二氧化硅是一種常見的實驗試劑ꎬ也是化學實驗領域中的主要實驗室耗材ꎮ 根據以往的實驗研究經驗ꎬ很多情況下由于對二氧化硅試劑選擇的不充分ꎬ導致化學實驗中斷與失敗ꎮ 因此ꎬ二氧化硅固化劑作為本次化學改性硅酸鹽制備流程中的主要化學原料ꎬ需要尤為注重試劑的選材ꎬ要做好二氧化硅固化劑的質量檢測ꎬ在符合化學實驗標準的情況下進行使用ꎬ其取量標準為:每一固定單位的二氧化硅固化劑含 SiO2 ≥99.0%、Cl≤0. 005%、鹽酸可溶物≤0. 2%ꎮ 最后ꎬ考慮到化學改性硅酸鹽固化劑的增強需要、粘結劑化學物質穩定性ꎬ本次實驗方案中選取了 Al2O3粉末ꎮ Al2O3具有化學物質穩定性強、化學結合率高、試劑易收集的優點ꎬ將其應用于化學改性硅酸鹽粘結劑的成品中ꎬ能夠大幅度的增強化學改性硅酸鹽粘結劑的強度、力度ꎬ因此ꎬ將其作為粘結劑主體的骨架填料[5] ꎮ 另外ꎬ值得注意的是ꎬ在化學改性硅酸鹽制備的過程中ꎬ將涉及到化學物質的相互轉化與反應ꎬ因此ꎬ要做好化學改性硅酸鹽制備中安全事項的管理ꎮ 以二氧化硅固化劑與硅酸鹽物質的化學反應為例ꎬ由于二氧化硅本身具備很強的刺激性ꎬ一旦與實驗者的眼睛、皮膚觸碰后ꎬ就容易引起實驗受傷ꎮ 因此ꎬ整個化學改性硅酸鹽粘結劑制備需要嚴格按照化學實驗流程實施ꎮ 通過 K2Ti6O13晶須為主要的改良劑ꎬ加之適應的固化劑、填充料作化學材料輔助ꎬ將化學性能改良劑與原有的硅酸鹽粘結劑原理進行混合ꎬ在符合標準的機械儀器中進行制備ꎬ從而獲取改性后的硅酸鹽粘結劑ꎮ
3.3 實驗樣品的測試與表征分析
首先ꎬ采用正交的實驗方法ꎬ對實驗樣品的性能與表征進行測試ꎮ 在化學改性后硅酸鹽粘結劑的粘接強度性能、抗壓性能分析上ꎬ主要采用 GB/ T 12833—2006標準ꎬ使用萬能試驗機測定(加載速率為 5 mm/ min)ꎮ其中ꎬ為了保證對化學改性后硅酸鹽粘結劑粘接強度的平均化測試ꎬ確保測試分值的穩定ꎬ本研究采用了3 輪測試法ꎬ在 3 輪測試中ꎬ實驗樣品的標準有所差異ꎬ第一輪取含有 10%的 K2Ti6O13晶須的硅酸鹽粘結劑在標準的環境下進行固化ꎬ實驗樣品完全固化后ꎬ將硅酸鹽粘結劑樣品放入最大載荷可達 8.6 kN 的機械設備中進行壓力測試ꎬ通過對化學改性后的硅酸鹽粘結劑的持續施壓ꎬ陸續記錄被施壓物的抗壓標準值ꎮ 第二輪與第三輪分別取含有 20%的 K2Ti6O13晶須、30%的 K2Ti6O13晶須重復第一輪步驟ꎮ 通過 3 輪壓力值的記錄ꎬ分析出化學改性后的硅酸鹽粘結劑粘接強度值(見圖 1)ꎮ 其次ꎬ對化學改性后的硅酸鹽粘結劑的耐水性進行測試ꎬ按照 GB/ T 1733—1993 標準進行測定ꎬ先將化學改性后的硅酸鹽粘結劑樣品進行固化ꎬ將固化樣品放入到 1 000 mL 的水中ꎬ浸泡24 hꎬ其中ꎬ每隔 8 h 對固化樣品的變化特征記錄一次ꎬ將浸泡 24 h 之后的固化樣品取出ꎬ通過壓力器ꎬ測試其浸泡后的粘接強度值ꎬ分析水浸泡對化學改性后的硅酸鹽粘結劑的性能影響ꎮ 最后ꎬ測量化學改性后硅酸鹽粘結劑的耐熱性、耐腐蝕性ꎬ其中ꎬ耐熱性按照 DSC￣TGA(差示掃描量熱分析-熱失重分析)法進行表征(升溫速率為 15 K/ min)測量ꎬ即先將化學改性后的硅酸鹽粘結劑樣品研磨至粉末ꎬ然后在不同標準的溫度下進行其耐熱性能的測試ꎬ通過實驗樣品的升溫速度來分析化學改性后硅酸鹽粘結劑的抗熱性能臨界值ꎮ 而抗腐蝕性能測試上ꎬ主要將樣鋼蠟封ꎬ面積留出 1 cm×l cmꎬ涂上膠液ꎬ試樣吲哚干燥后浸泡在質量分數為 3. 5% NaCl 溶液中ꎬ采用三電極體系法進行測試[6] ꎮ
4 化學改性硅酸鹽粘結劑的制備結果與討論
4.1 K2Ti6O13晶須含量對膠粘劑粘接性能的影響
通過對化學改性后的硅酸鹽粘結劑的粘接強度、抗壓強度、固化時間、耐水性能分析可知ꎬ不同質量分數的 K2Ti6O13晶須對硅酸鹽粘結劑的綜合性能影響較大ꎮ 通過實驗分析可知ꎬ較佳的 K2 Ti6O13晶須添加量應為硅酸鹽粘結劑化學總量的 9.6%ꎮ在 K2Ti6O13晶須的添加量不足硅酸鹽粘結劑總含量的 9.6%時ꎬ其粘接強度的變化明顯不高ꎬ抗壓性能也不理想ꎻ而當 K2Ti6O13晶須的添加量超過 9.6%時ꎬ則硅酸鹽粘結劑的粘接強度仍然停留在 9.6%的線值上ꎬ甚至出現了微許下降的態勢ꎮ 其中ꎬ在實驗分析中發現ꎬ硅酸鹽的種類、硅堿比、骨架材料的種類明顯影響硅酸鹽類膠粘劑的粘接性能與耐水性能[7] ꎮ 另外ꎬ骨架材料與被粘基材的配合骨架材料與被粘基材的熱膨脹系數也是影響無機膠材料抗腐蝕性能、耐熱性能、耐水性能的主要因素ꎮ 關于K2Ti6O13晶須對硅酸鹽粘結劑的綜合性能影響如圖 1 所示ꎮ
4.2 化學改性后硅酸鹽粘結劑的材料性能
化學改性后硅酸鹽粘結劑的耐熱性能ꎬ通過對實驗樣品的耐熱性測試可知ꎬ經過化學改性后的硅酸鹽粘接性抗熱性直線上升ꎬ化學改性后的硅酸鹽粘結劑的主要成分為硅鋁酸鹽等物質ꎮ 由于硅鋁酸鹽等無機聚合物具有良好的抗熱性能ꎬ因此ꎬ將化學改性后的硅酸鹽粘結劑放在 150 ℃的封閉空間中加熱處理ꎬ通過加熱處理ꎬ再對化學改性后的硅酸鹽粘結劑的耐熱性測試ꎬ經過測試可知ꎬ化學改性后的硅酸鹽粘結劑的耐熱性可達 1 300 ℃ ꎬ并且線膨脹系數已經與鋼鐵相近ꎬ電性能在常溫環境下絕緣性能良好ꎮ 因此ꎬ通過實驗測試可以得知ꎬ傳統的硅酸鹽粘結劑雖然具備了一定的抗熱性能ꎬ但是抗熱性往往達不到 100 ℃ 以上ꎬ在 100 ℃ 以上的高溫環境下ꎬ傳統的硅酸鹽粘結劑的粘接性能會持續下降ꎬ直至粘接實效ꎻ而經過對原有的硅酸鹽粘結劑的化學改良ꎬ其抗熱性能大幅度增強ꎻ并且ꎬ也具備了良好的耐油、耐溶劑、耐藥品、耐水的特性ꎬ可以廣泛的適用于填充、密封、涂層等用途ꎬ更適用于發熱元件的密封、灌封ꎮ 另外ꎬ在化學改性后的硅酸鹽耐水性能方面ꎬ經過實驗測試ꎬ本實驗化學改性后的硅酸鹽粘結劑在-60 ℃的水中浸泡 24 hꎬ仍然能夠保證膠體的不收縮ꎮ 因此ꎬ對化學改性硅酸鹽粘結劑加入一定量的 K2Ti6O13晶須之后ꎬ其制備成的粘結劑成品的耐水性提升明顯ꎬ化學改性后硅酸鹽粘結劑的粘接強度、耐熱性與耐水性模擬如圖 2 所示[8] ꎮ
5 結語
硅酸鹽粘接劑作為目前市場上常見的無機膠ꎬ經過一定的化學改性后ꎬ不僅顯著增強了它的抗壓能力、粘接強度ꎬ更提高了粘接劑產品的耐腐蝕性、耐熱性、耐水性等ꎮ 本研究中ꎬ通過采用標準的化學制備方法ꎬ在規定的化學實驗環境與設備儀器輔助下ꎬ主要以 K2Ti6O13晶須為改性劑ꎬ加以其他粘結劑的加入ꎬ促進新的化學改性硅酸鹽粘結劑的形成ꎮ 通過對改性后硅酸鹽粘結劑綜合性能測評知ꎬ化學改性后的硅酸鹽粘結劑性能值提升明顯ꎮ 該制備方案與結果數據可供化工領域借鑒ꎬ更好的促進硅酸鹽粘結劑的研究與應用ꎮ——論文作者：滕添志
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