化学改性硅酸盐粘结剂制备研究

滕添志

摘 要：随着化学工业技术的进步与发展，硅酸盐粘结剂作为一种常见的无机胶，其被广泛的应用于社会各个领域之中，在建筑、化工、包装等行业中发挥着重要作用。目前，虽然硅酸盐粘结剂在材料性能上具有良好的环保性、抗腐蚀性、粘接性强等特点，但是，随着硅酸盐粘结剂粘接时间的推移，其材料性能容易降低，尤其是对于一些陶瓷、玻璃、金属等粘接要求高的产品，更无法充分发挥出硅酸盐粘结剂的化学效能。主要以K2Ti6O13晶须为化学物，对硅酸盐粘结剂进行一定的改良，通过硅酸盐粘结剂的化学改良与制备，分析其改良后的综合性能，以期促进硅酸盐粘结剂更好的使用。

关键词：化学改性;硅酸盐;材料特性;粘结剂;制备方法;粘接强度

中图分类号：TQ433.5+2       文献标识码：A文章编号：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

目前化工领域中，无机胶粘剂主要有硅酸盐和磷酸盐两大体系，而硅酸盐是无机胶粘剂类型中应用最广的材料。从硅酸盐的化学特性上来看，硅酸盐是Si和O与Al、Fe、Mg、Ca、Na、K、P、Ti等结合而成的化合物，具有成分多变、结构复杂、熔点较高、化学性质稳定等显著特点。通过以硅酸盐为主要原料制备而成的无机膠粘剂，具有较好的粘接性，能够满足一般陶瓷、玻璃、包装材料、塑料、建筑材料、金属等材质的粘接需求。但是，对于传统的硅酸盐粘接剂仍然存在着一些显著性缺点，如耐水性差、固化条件高、粘接强度易随时间推移而降低等等。对此，通过对硅酸盐粘接剂的性能进行化学改良，有利于增强硅酸盐粘接剂的性能稳定性。而目前纵观国内对硅酸盐粘接剂的改良方案，虽然实验原料较为丰富，但是主要受行业欢迎的改性材料仍然属K2Ti6O13晶须。本文以K2Ti6O13晶须为改性辅助材料，通过对K2Ti6O13晶须与硅酸盐的结合制备，获取化学改性后的硅酸盐粘接剂，以期为我国化学工业研究硅酸盐粘接剂领域提供参考。

1 硅酸盐及化学改性硅酸盐粘接剂概述

1.1 硅酸盐

硅酸盐是Si和O与Al、Fe、Mg、Ca、Na、K、P、Ti等结合而成的化合物，具有成分多变、结构复杂、熔点较高、化学性质稳定等显著特点。硅酸盐是构成地壳矿物和岩石的主要对象，也是硅酸盐陶瓷、玻璃、耐火材料和水泥等工业制品的关键组分，还是制取单晶硅、多晶硅、二氧化硅气凝胶以及各种硅系有机化合物等新型材料的重要材料。硅酸盐矿物的基本结构是硅-氧四面体;在这种四面体内，硅原子占据中心，4个氧原子占据4角。这些四面体，依着四面体，依着不同的配合，形成了各类的硅酸盐。硅酸盐结构众多、种类繁多，有岛状的橄榄石、层状的石英、环状的蒙脱石等。它们大多数熔点高，化学性质稳定，是硅酸盐工业的主要原料[1]。

1.2 化学改性硅酸盐粘结剂

化学改性硅酸盐粘结剂是指以化学辅助原料与硅酸盐结合后，通过一定的化学工艺制备而成的新的硅酸盐粘结剂。硅酸盐虽能够直接经过加工制备得到无机胶，但在一些特殊情况下，仍无法发挥出原料的化学性能、物理特性，只有通过改性剂的改良，才能提高硅酸盐粘接剂的综合性能。目前，化工领域中可用于硅酸盐粘结剂改性的原料较多，如粘土、石棉粉、晶须等。其中，晶须是近年硅酸盐粘结剂改性的主要原料，它与粘土、石棉粉相比，其化学性能更加稳定，尤其是晶须体系中的K2Ti6O13晶须，其具有无毒无害、化学性能稳定、化学融合性强等特点。本文主要以K2Ti6O13晶须为改良剂，将其与硅酸盐粘结剂结合，通过化学改性与制备，增强硅酸盐粘结剂性能[2]。

2 化学改性硅酸盐粘结剂的材料特性

耐热性与环保性是任何一种粘结剂关注的要点，目前，根据对硅酸盐粘结剂的材料特性数据掌握程度来看，市场上主流的化学改性后硅酸盐粘结剂都具备了良好的耐热性与环保性，并且化学改性硅酸盐粘结剂往往具有高强度性、应力小的特点。由于化学改性硅酸盐粘结剂是在硅酸盐原料的基础上加入一定量的改性剂，通过其他化学原料与硅酸盐原料的结合，在化学工艺制备下，获取新的硅酸盐粘结剂。因此，改性后的硅酸盐粘结剂往往具有化学稳定性能强的特点，并且，该粘结剂的适用范围较广，不仅广泛的适用于工业领域之中，更适用于生活的日常设备、物体粘接中，整体上具有显著的粘接性能强、化学物质稳定性强、适用范围广、粘接时间长、经济实惠及易制备等特点[3]。

3 化学改性硅酸盐粘结剂制备方法

3.1 实验原料与仪器

在试验原料的选取上，主要以K2Ti6O13晶须为改性剂。先取充足的纯TiO2和K2CO3化学原料，按照晶须提纯与提炼的化学方法，在标准的实验环境下进行化学合成，将取得的TiO2和K2CO3两种原料物质进行研磨，过60目筛后将两者按物质的量比5.5∶1配料;干燥后用XA-1型高速万能粉碎机研磨干混，再将混合好的原料放人陶瓷坩埚中，在马弗炉中于1 000 ℃温度下进行固相反应，然后随炉冷却到室温，从而获取K2Ti6O13晶须。在试验仪器上，主要选用了XA-1型高速万能粉碎机及日本岛津公司生产的AG-250KNI 电子精密材料试验机等等[4]。

3.2 化学实验方法与制备流程

首先，将获取的K2Ti6O13晶须作为改性剂，按照不同质量分数加入到物质量比为（0.4～0.7）∶2的混合填料中，混合填料的主要化学原料成分为金属铝粉与A12O3，通过K2Ti6O13晶须与混合填料的结合，获取新的无机胶粘剂原料，然后再将新的混合化学物以70%～80%的质量分数加入到模数为3.1的硅酸盐原料中，通过搅拌机对实验样品进行充分搅拌，使得混合物的pH值大于9，即获取新的改性胶粘剂。其次，固化剂优化，粘结剂中最重要的化学物质主体就是固化剂，通常情況下，固化剂在整个化学改性硅酸盐粘结剂制备中发挥着物质固化与融合的作用。以本实验中化学改性硅酸盐粘结剂制备的需要，重点选取了二氧化硅固化剂，二氧化硅是一种常见的实验试剂，也是化学实验领域中的主要实验室耗材。根据以往的实验研究经验，很多情况下由于对二氧化硅试剂选择的不充分，导致化学实验中断与失败。因此，二氧化硅固化剂作为本次化学改性硅酸盐制备流程中的主要化学原料，需要尤为注重试剂的选材，要做好二氧化硅固化剂的质量检测，在符合化学实验标准的情况下进行使用，其取量标准为：每一固定单位的二氧化硅固化剂含SiO2≥99.0%、Cl≤0.005%、盐酸可溶物≤0.2%。最后，考虑到化学改性硅酸盐固化剂的增强需要、粘结剂化学物质稳定性，本次实验方案中选取了Al2O3 粉末。Al2O3 具有化学物质稳定性强、化学结合率高、试剂易收集的优点，将其应用于化学改性硅酸盐粘结剂的成品中，能够大幅度的增强化学改性硅酸盐粘结剂的强度、力度，因此，将其作为粘结剂主体的骨架填料[5]。另外，值得注意的是，在化学改性硅酸盐制备的过程中，将涉及到化学物质的相互转化与反应，因此，要做好化学改性硅酸盐制备中安全事项的管理。以二氧化硅固化剂与硅酸盐物质的化学反应为例，由于二氧化硅本身具备很强的刺激性，一旦与实验者的眼睛、皮肤触碰后，就容易引起实验受伤。因此，整个化学改性硅酸盐粘结剂制备需要严格按照化学实验流程实施。通过K2Ti6O13晶须为主要的改良剂，加之适应的固化剂、填充料作化学材料辅助，将化学性能改良剂与原有的硅酸盐粘结剂原理进行混合，在符合标准的机械仪器中进行制备，从而获取改性后的硅酸盐粘结剂。

3.3 实验样品的测试与表征分析

首先，采用正交的实验方法，对实验样品的性能与表征进行测试。在化学改性后硅酸盐粘结剂的粘接强度性能、抗压性能分析上，主要采用GB/T 12833—2006标准，使用万能试验机测定（加载速率为5 mm/min）。其中，为了保证对化学改性后硅酸盐粘结剂粘接强度的平均化测试，确保测试分值的稳定，本研究采用了3轮测试法，在3轮测试中，实验样品的标准有所差异，第一轮取含有10%的K2Ti6O13晶须的硅酸盐粘结剂在标准的环境下进行固化，实验样品完全固化后，将硅酸盐粘结剂样品放入最大载荷可达8.6 kN的机械设备中进行压力测试，通过对化学改性后的硅酸盐粘结剂的持续施压，陆续记录被施压物的抗压标准值。第二轮与第三轮分别取含有20%的K2Ti6O13晶须、30%的K2Ti6O13晶须重复第一轮步骤。通过3轮压力值的记录，分析出化学改性后的硅酸盐粘结剂粘接强度值（见图1）。其次，对化学改性后的硅酸盐粘结剂的耐水性进行测试，按照GB/T 1733—1993标准进行测定，先将化学改性后的硅酸盐粘结剂样品进行固化，将固化样品放入到1 000 mL的水中，浸泡24 h，其中，每隔8 h对固化样品的变化特征记录一次，将浸泡24 h之后的固化样品取出，通过压力器，测试其浸泡后的粘接强度值，分析水浸泡对化学改性后的硅酸盐粘结剂的性能影响。最后，测量化学改性后硅酸盐粘结剂的耐热性、耐腐蚀性，其中，耐热性按照DSC-TGA（差示扫描量热分析-热失重分析）法进行表征（升温速率为15 K/min）测量，即先将化学改性后的硅酸盐粘结剂样品研磨至粉末，然后在不同标准的温度下进行其耐热性能的测试，通过实验样品的升温速度来分析化学改性后硅酸盐粘结剂的抗热性能临界值。而抗腐蚀性能测试上，主要将样钢蜡封，面积留出1 cm×l cm，涂上胶液，试样吲哚干燥后浸泡在质量分数为3.5%NaCl溶液中，采用三电极体系法进行测试[6]。

4 化学改性硅酸盐粘结剂的制备结果与讨论

4.1 K2Ti6O13晶须含量对胶粘剂粘接性能的影响

通过对化学改性后的硅酸盐粘结剂的粘接强度、抗压强度、固化时间、耐水性能分析可知，不同质量分数的K2Ti6O13晶须对硅酸盐粘结剂的综合性能影响较大。通过实验分析可知，较佳的K2Ti6O13晶须添加量应为硅酸盐粘结剂化学总量的9.6%。在K2Ti6O13晶须的添加量不足硅酸盐粘结剂总含量的9.6%时，其粘接强度的变化明显不高，抗压性能也不理想;而当K2Ti6O13晶须的添加量超过9.6%时，则硅酸盐粘结剂的粘接强度仍然停留在9.6%的线值上，甚至出现了微许下降的态势。其中，在实验分析中发现，硅酸盐的种类、硅碱比、骨架材料的种类明显影响硅酸盐类胶粘剂的粘接性能与耐水性能[7]。另外，骨架材料与被粘基材的配合骨架材料与被粘基材的热膨胀系数也是影响无机胶材料抗腐蚀性能、耐热性能、耐水性能的主要因素。关于K2Ti6O13晶须对硅酸盐粘结剂的綜合性能影响如图1所示。

4.2 化学改性后硅酸盐粘结剂的材料性能

化学改性后硅酸盐粘结剂的耐热性能，通过对实验样品的耐热性测试可知，经过化学改性后的硅酸盐粘接性抗热性直线上升，化学改性后的硅酸盐粘结剂的主要成分为硅铝酸盐等物质。由于硅铝酸盐等无机聚合物具有良好的抗热性能，因此，将化学改性后的硅酸盐粘结剂放在150 ℃的封闭空间中加热处理，通过加热处理，再对化学改性后的硅酸盐粘结剂的耐热性测试，经过测试可知，化学改性后的硅酸盐粘结剂的耐热性可达1 300 ℃，并且线膨胀系数已经与钢铁相近，电性能在常温环境下绝缘性能良好。因此，通过实验测试可以得知，传统的硅酸盐粘结剂虽然具备了一定的抗热性能，但是抗热性往往达不到100 ℃以上，在100 ℃以上的高温环境下，传统的硅酸盐粘结剂的粘接性能会持续下降，直至粘接实效;而经过对原有的硅酸盐粘结剂的化学改良，其抗热性能大幅度增强;并且，也具备了良好的耐油、耐溶剂、耐药品、耐水的特性，可以广泛的适用于填充、密封、涂层等用途，更适用于发热元件的密封、灌封。另外，在化学改性后的硅酸盐耐水性能方面，经过实验测试，本实验化学改性后的硅酸盐粘结剂在-60 ℃的水中浸泡24 h，仍然能够保证胶体的不收缩。因此，对化学改性硅酸盐粘结剂加入一定量的K2Ti6O13晶须之后，其制备成的粘结剂成品的耐水性提升明显，化学改性后硅酸盐粘结剂的粘接强度、耐热性与耐水性模拟如图2所示[8]。

5 结语

硅酸盐粘接剂作为目前市场上常见的无机胶，经过一定的化学改性后，不仅显著增强了它的抗压能力、粘接强度，更提高了粘接剂产品的耐腐蚀性、耐热性、耐水性等。本研究中，通过采用标准的化学制备方法，在规定的化学实验环境与设备仪器辅助下，主要以K2Ti6O13晶须为改性剂，加以其他粘结剂的加入，促进新的化学改性硅酸盐粘结剂的形成。通过对改性后硅酸盐粘结剂综合性能测评知，化学改性后的硅酸盐粘结剂性能值提升明显。该制备方案与结果数据可供化工领域借鉴，更好的促进硅酸盐粘结剂的研究与应用。

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