水玻璃的固化机理及其耐水性的提高途径

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2、和人们环境意识的提高，水玻璃作为一种环境友好型粘结剂受到广大研究者以及消费者的垂青。但水玻璃因其自身的结构而导致的固化后耐水性差的问题尚未得到彻底的解决．而不同的固化途径产生的固化机理亦是琳琅满目．从而使水玻璃在其应用原理以及解决其相应的缺陷上受到阻碍。文中对近几年来所研究的水玻璃固化机理以及提高其耐水性途径进行了详细的分析．以拓宽水玻璃的改性研究及应用领域。关键词：水玻璃；同化机理；耐水性；硅凝胶；硅胶粒水玻璃是一种性能良好的胶凝剂，是多种聚硅酸盐的复杂溶液，但是各个聚硅酸的聚合度和分子结构及其含量均无法测定．原因是水玻璃的组成不仅随模数

3、、浓度和电解质含量而改变．而且也随存放时问而不断变化。水玻璃可分为硅酸钠水玻璃、硅酸钾水玻璃、硅酸锂水玻璃、硅酸盐季胺水玻璃和钾钠硅酸盐水玻璃等。但除硅酸钠水玻璃得到大量应用外，其他硅酸盐水玻璃用量较少。2水玻璃的固化特性水玻璃的主要参数是模数(水玻璃中Si0：和Na20的摩尔比值，用m表示)、密度f水玻璃溶液中含有的Na20-mSiO：百分质量，用C表示)和客盐浓度。以钠水玻璃为例．若模数小于2、浓度<40％时是(聚)硅酸钠的真溶液，浓度提高时则析出多种硅酸钠晶体(水合晶体或无水晶体)，不会生成胶粒，不会形成真溶液和胶体溶液并存体系，即不

4、会生成“水玻璃”；若模数≥4、浓度>32％，则基本上已硅溶胶化．不再含有真溶液，也不宜称作水玻璃。假如体系内还含其他盐类(称作客盐)且浓度>0．1moⅣL，它即可藉凝胶化而趋向同化．应称作硅凝胶或硅酸凝胶。水玻璃内真溶液占的份额愈大，则水玻璃愈稳定；胶体溶液占的份额愈大，则愈容易因凝胶化而固化。水玻璃接近凝胶化点时，真溶液大部分消失，基本上呈胶体溶液状态，此时处于临界值。从临界值冉往前一步(即模数或浓度增大些)，即因凝胶化而趋向固化。但在凝胶化点以下一定范围内，含有客盐>O．1mol／L时，∈电位被迫降到临界值时，也会转变成凝胶而趋向固化。

5、以硅酸钠水玻璃的相应问题进行分析。硅酸钠水玻璃的水解反应可简要地归纳为反应式(1)。Na0十nSi02+2nH20+C02=2Na2C03+nSi(0H)4(1)而NaOH又会进一步电离成Na+和OH一．从而使水玻璃溶液呈碱性反应。水玻璃溶液实际上是胶体溶液，胶核是由二氧化硅聚集体构成，胶核又会吸附溶液中被电离出的n个Si032一；同时硅酸钠中也有2n个Na+离子电离出来，其中也会有2(n—x)个Na+离子被吸附在SiO，2一万方数据周围。胶核所吸附的si032-和部分Na+形成吸附层，而另有部分Na+离子扩散到吸附层外，形成扩散层，这样使

6、胶粒带负电。因此硅酸钠水玻璃溶液中胶粒结构可用式(2)表示。{[(Si02)。·nSi0：屹(n—x)H+]2

7、。}2xM+(M为Na+、K+等)固相罂竺竺空墨!擎层(2)胶体离子扩散双电层3水玻璃不同途径的固化机理水玻璃的粘结强度是指水玻璃硬化后具有的强度。水玻璃和原砂经混砂机混拌以后，砂粒表面上包覆了一层薄薄的水玻璃膜，即粘结膜。相邻的砂粒通过粘结膜连接起来，形成粘结桥(如图1)，随后通过水玻璃的胶凝过程建立起粘结强度【”，如图2。释①滞心图1水玻璃粘结桥的形成过程图2水玻璃砂的粘结形态硅酸胶凝聚合化学反应通过三个同时发生的过程产生：(

8、1)单分子和双分子硅酸聚合形成低聚体；(2)分子间硅氧基团的聚合导致环的闭合和最终粒子形成：(3)单个粒子的聚合形成长链。通过对相应文献的参考研究，归纳出水玻璃的固化途径主要有以下几种：3．1加热硬化水玻璃的加热硬化系物理脱水硬化过程，水玻璃脱水后为脱水硅酸凝胶。常温下水玻璃溶胶中的水分蒸发，水玻璃中的硅酸阴离子聚集成膜。Na+无规则地分布在涂膜中。水玻璃凝胶中存在较多的Si—OH键．遇水易溶，则固化物破坏。当温度升高时(80℃时)水分子重排并对相邻硅醇基之间的缩合起催化作用。进一步加热至120。130℃以上，残存的水分子促使硅醇基的缩合，

9、而且Si—OH键之间相互脱水缔合，形成si—O—Si键。这是耐水性极好的三维结构的固化体系。Na+和H+处于毛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