趙洪凱　王洪里

(吉林建筑大學材料科學與工程學院，長春　130118)

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A級保溫材料用無機膠黏劑的試驗及分析*

趙洪凱王洪里

(吉林建筑大學材料科學與工程學院，長春130118)

摘要：鈉水玻璃無機膠粘劑具有無毒不燃、耐熱、耐酸、耐久性好、成本低廉等優(yōu)點,是A級保溫材料的理想膠黏劑.本實驗優(yōu)選水玻璃、固化劑、硅溶膠、有機硅偶聯(lián)劑等原料,采用單因素分析與正交分析,確定每一種原料的最佳水平,從而確定膠粘劑最佳配方.結果表明，膠黏劑固化溫度100℃～120℃、時間2h左右時,綜合性能最優(yōu)化;粘結強度較好;熱處理下膠黏劑耐水性極佳,但在水中有一定的溶出;熱處理及助劑對凝膠時間、黏度有極大的影響,可通過調整其參數(shù)得到操作性良好的膠黏劑.

關鍵詞：保溫材料；防火；無機膠黏劑；鈉水玻璃

0引言

水玻璃作為一種氣干型膠粘劑具有優(yōu)異的粘合性能和抗熱老化性能,水玻璃硬化后可以抵抗除氫氟酸、熱磷酸和高級脂肪酸以外的幾乎所有無機和有機酸,此外水玻璃高溫下粘合強度損失很少,可抵抗1000℃高溫[1-2].鈉水玻璃膠粘劑耐水性較差,可以采用氟硅酸鈉、磷酸鹽、有機酯硬化、CO2硬化改性[3-5],但效果一般.尋求合適的水玻璃模數(shù)以及改性劑,配制綜合性能良好的水玻璃膠黏劑迫在眉睫,同時也有著廣闊市場.

1實驗部分

1.1　原料

水玻璃,模數(shù)3.0,固含量38%,市售產(chǎn)品;磷酸硅,工業(yè)級,威海天天科技精細化工有限公司產(chǎn)品;硅溶膠,工業(yè)級,沈陽市立新硅溶膠廠產(chǎn)品;硅烷偶聯(lián)劑(KH-550),工業(yè)級,東營市恒益化工有限責任公司產(chǎn)品.

1.2　實驗過程

優(yōu)選固化劑、硅溶膠、有機硅偶聯(lián)劑等助劑,通過正交試驗,確定力學性能、耐水性能、凝膠時間等考察指標,確定每一種原料的最佳水平,結合單因素分析,確定膠粘劑最佳配方.

1.3　分析表征

1.3.1粘結強度的測定

根據(jù)GB/T 7124—2008/ISO 4587:2003膠粘劑拉伸剪切強度的測定標準,采用100mm×25mm鋁合金片材在粘結之前,對加工的鋁合金板先用丙酮超聲清洗30mim,去除油污后用酒精清洗.粘結面長度為12.5mm±0.25,將制備的待測粘結強度樣品在不同溫度下進行固化,萬能拉力試驗機的恒定速度參照ISO 527-1,其載荷變化范圍為8.3MPa/min～9.7MPa/min.測定鈉水玻璃無機膠粘涂層的拉伸剪切強度,按式(1)計算:

(1)

其中,τ為膠粘劑拉伸剪切強度,MPa;P為試樣剪切破環(huán)的最大負荷,N;B為試樣搭接面寬度,mm;L為試樣搭接面長度,mm.

1.3.2凝膠時間的測定

在室溫條件恒定攪拌速度下，攪拌以后形成均勻膠液注入試管中,試管傾斜45°,液體不流動的時間為凝膠時間.

1.3.3耐水性試驗

首先稱量鋁片的初重(m0),涂有膠粘涂層的試片稱量(m1),然后在自來水中浸泡15d,取出后稱量(m2).根據(jù)式(2)計算吸水率.

(2)

1.3.4凝膠過程黏度的測定

將配置好的水玻璃膠液置于燒杯中,定期測定膠液黏度隨時間變化,黏度測定采用NDJ-4旋轉黏度計.

2結果與討論

2.1　不同助劑對膠粘劑粘結強度、耐水性、凝膠時間的影響

影響膠粘劑性能的因素較多,選擇對膠粘劑性能影響可能較大的三種因素,即硅溶膠、固化劑、KH-550作為研究對象,應用正交試驗設計法考察其用量對膠粘劑的性能的影響,以耐水性、粘結強度等為性能指標,確立基礎配方.100份水玻璃中加入不同份數(shù)磷酸硅、硅溶膠、偶聯(lián)劑,正交表及結果分析見表1.

由此可以得出:KH-550對粘結強度值的影響最大,硅酸鹽固化物是以鍵能很大的硅氧鍵相互結合成硅氧四面體,進而形成大的三維空間網(wǎng)狀結構,表面活性劑與膠粘劑中水玻璃發(fā)生交聯(lián)化學反應,從而使強度增加;其次是加熱溫度,接著是硅溶膠、固化劑.

將試樣放入水中,隨著時間的增長,試片的質量不但沒有增加,而是出現(xiàn)輕微的質量減輕,見表1.隨著KH-550、硅溶膠的加入以及溫度的升高,試樣在水中的溶出率逐漸降低,可以理解為水玻璃膠膜在水中隨著Na+溶出,溶液堿性逐漸增強,對膠膜中氧化硅網(wǎng)絡骨架起到破壞作用,從而使膠膜不斷被溶出.硅烷偶聯(lián)劑可以有效抑制堿金屬的游離,完美的、整體的三維網(wǎng)狀結構的形成從而提高膠粘劑的耐水性能,如圖1所示.水玻璃的加熱硬化使Si-OH鍵進一步脫水締合,形成Si-O-Si鍵,這是耐水性極好的三維結構的固化體系.Na+和H+處于三維結構膜的封閉狀態(tài)中,遇水不溶.

圖1 KH-550改性涂膜的疏水機理

凝膠時間表明:固化劑磷酸硅對凝膠時間影響最大,其次是溫度、KH-550、硅溶膠,但三者對其影響相近,差別不大.分析可知,固化劑磷酸硅含量增加,凝膠時間減少,固化劑為5份時,無論添加KH-550與硅溶膠多少,其凝膠時間均較長;固化劑為15份時,添加硅溶膠、KH-550時,其凝膠時間相對縮短;固化劑為25份時,凝膠時間進一步縮短.

表1 四因素三水平試驗

2.2　物料凝膠過程中黏度分析

采用磷酸硅25份、硅溶膠10份、偶聯(lián)劑0.5份加入100份鈉水玻璃中,其溶液黏度隨時間變化曲線如圖2所示.由圖2可以看出，室溫下凝膠時間很長,接近90min才漸漸失去流動性,具有較好的操作拌合性能;高溫下,膠粘劑液體在9min左右,黏度大幅度提升,短時間內(nèi)失去流動性,有利于快速加熱成型.

(a) 20℃　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b) 100℃圖2 膠黏劑粘度與時間的關系

2.3　最佳固化時間分析

固化時間過短,達不到應有的粘接強度;固化時間過長,不但起不到提高粘接強度的作用,反而浪費能源,增加成本.確定水玻璃100份、磷酸硅為10份、硅溶膠10份、HK-550為1份,固化溫度100℃,研究不同固化時間對膠黏劑粘合強度的影響,實驗結果如表2所示.考察膠粘劑的剪切強度,結果如表2所示.

表2 試樣固化時間對強度的影響

由表2可以看出,隨著烘烤時間的增加,剪切強度逐漸增大,當時間為2h左右時,強度趨于平衡,考慮到加工成本,固化時間可以定為2h.

3結論

鈉水玻璃無機膠粘劑具有優(yōu)異的綜合性能,是A級保溫材料的理想膠黏劑.不同助劑對膠黏劑粘結強度有一定的影響,摻入各種改性劑對粘結強度有較大的改善;膠黏劑耐水性極佳,硅烷偶聯(lián)劑烴基以σ鍵與主鏈上的硅原子相結合,使水分子難以與親水的氧接近,加熱對相鄰硅醇基之間的縮合起催化作用,形成耐水性極好的三維結構的固化體系;物料配方對凝膠時間有一定的影響,固化劑磷酸硅對凝膠時間影響最大,其次是溫度、KH-550、硅溶膠,但是三者對凝膠時間影響相近,差別不大;物料固化過程中黏度分析得知,具有較好的操作性能,有利于快速固化成型.最終選擇固化溫度100℃～120℃,、固化時間2h左右時,強度趨于最大值.

參考文獻

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[2] 李揚林.LED封裝用水玻璃基導熱膠研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2011.

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[5] 侯彩英,周艷明,羅紅,康永.水玻璃的固化機理及其提高耐水性途徑分析[J].陶瓷,2011(8):18-21.

Experiment and Analysis of Inorganic Adhesive for

Grade-A Thermal Insulation Material

ZHAO Hong-kai，WANG Hong-li

(SchoolofMaterialScienceandEngineering,JilinJianzhuUniversity,Changchun,China130118)

Abstract：As an ideal choice for Grade-A thermal insulation material, the sodium silicate inorganic adhesive is characterized by non-poisonous, non-ignitable, heat-resisting, acid-resisting, good durability, low cost and other advantages. By applying selected sodium silicate, curing agent, silica solution, organic silane coupling agent and other materials, this experiment adopts single factor analysis and orthogonal analysis to determine the best state of each material so as to find out the most desirable figure for the adhesive. The results show that the adhesive has a curing temperature of 100℃~120℃ for around two hours and proves to have the most optimal combination property, good adhesive strength and excellent water resistance under heat treatment despite a small amount of dissolution in the water. Heat treatment and additives produce significant impact on the duration and viscosity of the adhesive gel. And adhesive with good operation property can be achieved by adjusting its parameters.

Keywords:heat insulating material；fireproof；inorganic binder；sodium silicate

*基金項目：吉林省科技計劃重大科技攻關項目(20130204009SF);吉林省科技發(fā)展計劃項目(20140204081GX);吉林省教育廳“十二五”科學技術研究項目(吉教科合字[2014]第235號).

作者簡介：趙洪凱(1974~),男,吉林省長春市人,副教授,博士.

收稿日期：2014-10-10.

中圖分類號：TB 302.2

文獻標志碼：A

文章編號：2095-8919(2015)03-0005-04