化學改性硅酸鹽粘結劑制備研究

滕添志

摘 要：隨著化學工業(yè)技術的進步與發(fā)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(yè)中發(fā)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(huán)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，其材料性能容易降低，尤其是對于一些陶瓷、玻璃、金屬等粘接要求高的產品，更無法充分發(fā)揮出硅酸鹽粘結劑的化學效能。主要以K2Ti6O13晶須為化學物，對硅酸鹽粘結劑進行一定的改良，通過硅酸鹽粘結劑的化學改良與制備，分析其改良后的綜合性能，以期促進硅酸鹽粘結劑更好的使用。

關鍵詞：化學改性;硅酸鹽;材料特性;粘結劑;制備方法;粘接強度

中圖分類號：TQ433.5+2?????? 文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2022）01-0042-04

Chemical modification of silicate adhesive and preparation

TENG Tianzhi

（Cabot High Performance Materials（Tianjin）Co.，Ltd.，Tianjin 300480，China）

Abstract：With the progress and development of chemical industry technology，silicate adhesive，as a common inorganic adhesive，is widely used in all fields of society such as construction，chemical，packaging and other sectors.At present，although the silicate binder on the properties of ceramic materials has good characteristics such as environmental protection，corrosion resistance and strong adhesion，as the silicate adhesive bonding time increase，its material performance is likely to decrease，especially for some high adhesive products such as pottery and porcelain，glass，metal，it cannot give full play to the silicate binder chemical performance.Therefore，this paper mainly used K2Ti6O13 whisker as chemical substance to improve the silicate adhesive.Through the chemical improvement and preparation of the silicate adhesive，the comprehensive properties of the improved adhesive were analyzed in order to promote the better use of the silicate adhesive.

Key words：chemical modification;Silicate;material properties;bonding agent;preparation methods

目前化工領域中，無機膠粘劑主要有硅酸鹽和磷酸鹽兩大體系，而硅酸鹽是無機膠粘劑類型中應用最廣的材料。從硅酸鹽的化學特性上來看，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，具有成分多變、結構復雜、熔點較高、化學性質穩(wěn)定等顯著特點。通過以硅酸鹽為主要原料制備而成的無機膠粘劑，具有較好的粘接性，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。但是，對于傳統(tǒng)的硅酸鹽粘接劑仍然存在著一些顯著性缺點，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。對此，通過對硅酸鹽粘接劑的性能進行化學改良，有利于增強硅酸鹽粘接劑的性能穩(wěn)定性。而目前縱觀國內對硅酸鹽粘接劑的改良方案，雖然實驗原料較為豐富，但是主要受行業(yè)歡迎的改性材料仍然屬K2Ti6O13晶須。本文以K2Ti6O13晶須為改性輔助材料，通過對K2Ti6O13晶須與硅酸鹽的結合制備，獲取化學改性后的硅酸鹽粘接劑，以期為我國化學工業(yè)研究硅酸鹽粘接劑領域提供參考。

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，具有成分多變、結構復雜、熔點較高、化學性質穩(wěn)定等顯著特點。硅酸鹽是構成地殼礦物和巖石的主要對象，也是硅酸鹽陶瓷、玻璃、耐火材料和水泥等工業(yè)制品的關鍵組分，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。硅酸鹽礦物的基本結構是硅-氧四面體;在這種四面體內，硅原子占據中心，4個氧原子占據4角。這些四面體，依著四面體，依著不同的配合，形成了各類的硅酸鹽。硅酸鹽結構眾多、種類繁多，有島狀的橄欖石、層狀的石英、環(huán)狀的蒙脫石等。它們大多數熔點高，化學性質穩(wěn)定，是硅酸鹽工業(yè)的主要原料[1]。

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，通過一定的化學工藝制備而成的新的硅酸鹽粘結劑。硅酸鹽雖能夠直接經過加工制備得到無機膠，但在一些特殊情況下，仍無法發(fā)揮出原料的化學性能、物理特性，只有通過改性劑的改良，才能提高硅酸鹽粘接劑的綜合性能。目前，化工領域中可用于硅酸鹽粘結劑改性的原料較多，如粘土、石棉粉、晶須等。其中，晶須是近年硅酸鹽粘結劑改性的主要原料，它與粘土、石棉粉相比，其化學性能更加穩(wěn)定，尤其是晶須體系中的K2Ti6O13晶須，其具有無毒無害、化學性能穩(wěn)定、化學融合性強等特點。本文主要以K2Ti6O13晶須為改良劑，將其與硅酸鹽粘結劑結合，通過化學改性與制備，增強硅酸鹽粘結劑性能[2]。

2 化學改性硅酸鹽粘結劑的材料特性

耐熱性與環(huán)保性是任何一種粘結劑關注的要點，目前，根據對硅酸鹽粘結劑的材料特性數據掌握程度來看，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(huán)保性，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。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，通過其他化學原料與硅酸鹽原料的結合，在化學工藝制備下，獲取新的硅酸鹽粘結劑。因此，改性后的硅酸鹽粘結劑往往具有化學穩(wěn)定性能強的特點，并且，該粘結劑的適用范圍較廣，不僅廣泛的適用于工業(yè)領域之中，更適用于生活的日常設備、物體粘接中，整體上具有顯著的粘接性能強、化學物質穩(wěn)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]。

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，主要以K2Ti6O13晶須為改性劑。先取充足的純TiO2和K2CO3化學原料，按照晶須提純與提煉的化學方法，在標準的實驗環(huán)境下進行化學合成，將取得的TiO2和K2CO3兩種原料物質進行研磨，過60目篩后將兩者按物質的量比5.5∶1配料;干燥后用XA-1型高速萬能粉碎機研磨干混，再將混合好的原料放人陶瓷坩堝中，在馬弗爐中于1 000 ℃溫度下進行固相反應，然后隨爐冷卻到室溫，從而獲取K2Ti6O13晶須。在試驗儀器上，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]。

3.2 化學實驗方法與制備流程

首先，將獲取的K2Ti6O13晶須作為改性劑，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，混合填料的主要化學原料成分為金屬鋁粉與A12O3，通過K2Ti6O13晶須與混合填料的結合，獲取新的無機膠粘劑原料，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，通過攪拌機對實驗樣品進行充分攪拌，使得混合物的pH值大于9，即獲取新的改性膠粘劑。其次，固化劑優(yōu)化，粘結劑中最重要的化學物質主體就是固化劑，通常情況下，固化劑在整個化學改性硅酸鹽粘結劑制備中發(fā)揮著物質固化與融合的作用。以本實驗中化學改性硅酸鹽粘結劑制備的需要，重點選取了二氧化硅固化劑，二氧化硅是一種常見的實驗試劑，也是化學實驗領域中的主要實驗室耗材。根據以往的實驗研究經驗，很多情況下由于對二氧化硅試劑選擇的不充分，導致化學實驗中斷與失敗。因此，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，需要尤為注重試劑的選材，要做好二氧化硅固化劑的質量檢測，在符合化學實驗標準的情況下進行使用，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%。最后，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(wěn)定性，本次實驗方案中選取了Al2O3 粉末。Al2O3 具有化學物質穩(wěn)定性強、化學結合率高、試劑易收集的優(yōu)點，將其應用于化學改性硅酸鹽粘結劑的成品中，能夠大幅度的增強化學改性硅酸鹽粘結劑的強度、力度，因此，將其作為粘結劑主體的骨架填料[5]。另外，值得注意的是，在化學改性硅酸鹽制備的過程中，將涉及到化學物質的相互轉化與反應，因此，要做好化學改性硅酸鹽制備中安全事項的管理。以二氧化硅固化劑與硅酸鹽物質的化學反應為例，由于二氧化硅本身具備很強的刺激性，一旦與實驗者的眼睛、皮膚觸碰后，就容易引起實驗受傷。因此，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。通過K2Ti6O13晶須為主要的改良劑，加之適應的固化劑、填充料作化學材料輔助，將化學性能改良劑與原有的硅酸鹽粘結劑原理進行混合，在符合標準的機械儀器中進行制備，從而獲取改性后的硅酸鹽粘結劑。

3.3 實驗樣品的測試與表征分析

首先，采用正交的實驗方法，對實驗樣品的性能與表征進行測試。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，主要采用GB/T 12833—2006標準，使用萬能試驗機測定（加載速率為5 mm/min）。其中，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，確保測試分值的穩(wěn)定，本研究采用了3輪測試法，在3輪測試中，實驗樣品的標準有所差異，第一輪取含有10%的K2Ti6O13晶須的硅酸鹽粘結劑在標準的環(huán)境下進行固化，實驗樣品完全固化后，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，通過對化學改性后的硅酸鹽粘結劑的持續(xù)施壓，陸續(xù)記錄被施壓物的抗壓標準值。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。通過3輪壓力值的記錄，分析出化學改性后的硅酸鹽粘結劑粘接強度值（見圖1）。其次，對化學改性后的硅酸鹽粘結劑的耐水性進行測試，按照GB/T 1733—1993標準進行測定，先將化學改性后的硅酸鹽粘結劑樣品進行固化，將固化樣品放入到1 000 mL的水中，浸泡24 h，其中，每隔8 h對固化樣品的變化特征記錄一次，將浸泡24 h之后的固化樣品取出，通過壓力器，測試其浸泡后的粘接強度值，分析水浸泡對化學改性后的硅酸鹽粘結劑的性能影響。最后，測量化學改性后硅酸鹽粘結劑的耐熱性、耐腐蝕性，其中，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，即先將化學改性后的硅酸鹽粘結劑樣品研磨至粉末，然后在不同標準的溫度下進行其耐熱性能的測試，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。而抗腐蝕性能測試上，主要將樣鋼蠟封，面積留出1 cm×l cm，涂上膠液，試樣吲哚干燥后浸泡在質量分數為3.5%NaCl溶液中，采用三電極體系法進行測試[6]。

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，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。通過實驗分析可知，較佳的K2Ti6O13晶須添加量應為硅酸鹽粘結劑化學總量的9.6%。在K2Ti6O13晶須的添加量不足硅酸鹽粘結劑總含量的9.6%時，其粘接強度的變化明顯不高，抗壓性能也不理想;而當K2Ti6O13晶須的添加量超過9.6%時，則硅酸鹽粘結劑的粘接強度仍然停留在9.6%的線值上，甚至出現了微許下降的態(tài)勢。其中，在實驗分析中發(fā)現，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]。另外，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。關于K2Ti6O13晶須對硅酸鹽粘結劑的綜合性能影響如圖1所示。

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，通過對實驗樣品的耐熱性測試可知，經過化學改性后的硅酸鹽粘接性抗熱性直線上升，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。由于硅鋁酸鹽等無機聚合物具有良好的抗熱性能，因此，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，通過加熱處理，再對化學改性后的硅酸鹽粘結劑的耐熱性測試，經過測試可知，化學改性后的硅酸鹽粘結劑的耐熱性可達1 300 ℃，并且線膨脹系數已經與鋼鐵相近，電性能在常溫環(huán)境下絕緣性能良好。因此，通過實驗測試可以得知，傳統(tǒng)的硅酸鹽粘結劑雖然具備了一定的抗熱性能，但是抗熱性往往達不到100 ℃以上，在100 ℃以上的高溫環(huán)境下，傳統(tǒng)的硅酸鹽粘結劑的粘接性能會持續(xù)下降，直至粘接實效;而經過對原有的硅酸鹽粘結劑的化學改良，其抗熱性能大幅度增強;并且，也具備了良好的耐油、耐溶劑、耐藥品、耐水的特性，可以廣泛的適用于填充、密封、涂層等用途，更適用于發(fā)熱元件的密封、灌封。另外，在化學改性后的硅酸鹽耐水性能方面，經過實驗測試，本實驗化學改性后的硅酸鹽粘結劑在-60 ℃的水中浸泡24 h，仍然能夠保證膠體的不收縮。因此，對化學改性硅酸鹽粘結劑加入一定量的K2Ti6O13晶須之后，其制備成的粘結劑成品的耐水性提升明顯，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]。

5 結語

硅酸鹽粘接劑作為目前市場上常見的無機膠，經過一定的化學改性后，不僅顯著增強了它的抗壓能力、粘接強度，更提高了粘接劑產品的耐腐蝕性、耐熱性、耐水性等。本研究中，通過采用標準的化學制備方法，在規(guī)定的化學實驗環(huán)境與設備儀器輔助下，主要以K2Ti6O13晶須為改性劑，加以其他粘結劑的加入，促進新的化學改性硅酸鹽粘結劑的形成。通過對改性后硅酸鹽粘結劑綜合性能測評知，化學改性后的硅酸鹽粘結劑性能值提升明顯。該制備方案與結果數據可供化工領域借鑒，更好的促進硅酸鹽粘結劑的研究與應用。

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