滕添志

摘 要：隨著化學(xué)工業(yè)技術(shù)的進步與發(fā)展，硅酸鹽粘結(jié)劑作為一種常見的無機膠，其被廣泛的應(yīng)用于社會各個領(lǐng)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(jié)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(jié)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(chǎn)品，更無法充分發(fā)揮出硅酸鹽粘結(jié)劑的化學(xué)效能。主要以K2Ti6O13晶須為化學(xué)物，對硅酸鹽粘結(jié)劑進行一定的改良，通過硅酸鹽粘結(jié)劑的化學(xué)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(jié)劑更好的使用。

關(guān)鍵詞：化學(xué)改性;硅酸鹽;材料特性;粘結(jié)劑;制備方法;粘接強度

中圖分類號：TQ433.5+2?????? 文獻(xiàn)標(biāo)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(lǐng)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(yīng)用最廣的材料。從硅酸鹽的化學(xué)特性上來看，硅酸鹽是Si和O與Al、Fe、Mg、Ca、Na、K、P、Ti等結(jié)合而成的化合物，具有成分多變、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、熔點較高、化學(xué)性質(zhì)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(zhì)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(xué)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(nèi)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(jié)合制備，獲取化學(xué)改性后的硅酸鹽粘接劑，以期為我國化學(xué)工業(yè)研究硅酸鹽粘接劑領(lǐng)域提供參考。

1 硅酸鹽及化學(xué)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(jié)合而成的化合物，具有成分多變、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、熔點較高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等顯著特點。硅酸鹽是構(gòu)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(guān)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(jié)構(gòu)是硅-氧四面體;在這種四面體內(nèi)，硅原子占據(jù)中心，4個氧原子占據(jù)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(jié)構(gòu)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(shù)熔點高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，是硅酸鹽工業(yè)的主要原料[1]。

1.2 化學(xué)改性硅酸鹽粘結(jié)劑

化學(xué)改性硅酸鹽粘結(jié)劑是指以化學(xué)輔助原料與硅酸鹽結(jié)合后，通過一定的化學(xué)工藝制備而成的新的硅酸鹽粘結(jié)劑。硅酸鹽雖能夠直接經(jīng)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(xué)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(lǐng)域中可用于硅酸鹽粘結(jié)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(jié)劑改性的主要原料，它與粘土、石棉粉相比，其化學(xué)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(xué)性能穩(wěn)定、化學(xué)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(jié)劑結(jié)合，通過化學(xué)改性與制備，增強硅酸鹽粘結(jié)劑性能[2]。

2 化學(xué)改性硅酸鹽粘結(jié)劑的材料特性

耐熱性與環(huán)保性是任何一種粘結(jié)劑關(guān)注的要點，目前，根據(jù)對硅酸鹽粘結(jié)劑的材料特性數(shù)據(jù)掌握程度來看，市場上主流的化學(xué)改性后硅酸鹽粘結(jié)劑都具備了良好的耐熱性與環(huán)保性，并且化學(xué)改性硅酸鹽粘結(jié)劑往往具有高強度性、應(yīng)力小的特點。由于化學(xué)改性硅酸鹽粘結(jié)劑是在硅酸鹽原料的基礎(chǔ)上加入一定量的改性劑，通過其他化學(xué)原料與硅酸鹽原料的結(jié)合，在化學(xué)工藝制備下，獲取新的硅酸鹽粘結(jié)劑。因此，改性后的硅酸鹽粘結(jié)劑往往具有化學(xué)穩(wěn)定性能強的特點，并且，該粘結(jié)劑的適用范圍較廣，不僅廣泛的適用于工業(yè)領(lǐng)域之中，更適用于生活的日常設(shè)備、物體粘接中，整體上具有顯著的粘接性能強、化學(xué)物質(zhì)穩(wěn)定性強、適用范圍廣、粘接時間長、經(jīng)濟實惠及易制備等特點[3]。

3 化學(xué)改性硅酸鹽粘結(jié)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(xué)原料，按照晶須提純與提煉的化學(xué)方法，在標(biāo)準(zhǔn)的實驗環(huán)境下進行化學(xué)合成，將取得的TiO2和K2CO3兩種原料物質(zhì)進行研磨，過60目篩后將兩者按物質(zhì)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(yīng)，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(chǎn)的AG-250KNI 電子精密材料試驗機等等[4]。

3.2 化學(xué)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(zhì)量分?jǐn)?shù)加入到物質(zhì)量比為（0.4～0.7）∶2的混合填料中，混合填料的主要化學(xué)原料成分為金屬鋁粉與A12O3，通過K2Ti6O13晶須與混合填料的結(jié)合，獲取新的無機膠粘劑原料，然后再將新的混合化學(xué)物以70%～80%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)加入到模數(shù)為3.1的硅酸鹽原料中，通過攪拌機對實驗樣品進行充分?jǐn)嚢?，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(jié)劑中最重要的化學(xué)物質(zhì)主體就是固化劑，通常情況下，固化劑在整個化學(xué)改性硅酸鹽粘結(jié)劑制備中發(fā)揮著物質(zhì)固化與融合的作用。以本實驗中化學(xué)改性硅酸鹽粘結(jié)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(xué)實驗領(lǐng)域中的主要實驗室耗材。根據(jù)以往的實驗研究經(jīng)驗，很多情況下由于對二氧化硅試劑選擇的不充分，導(dǎo)致化學(xué)實驗中斷與失敗。因此，二氧化硅固化劑作為本次化學(xué)改性硅酸鹽制備流程中的主要化學(xué)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(zhì)量檢測，在符合化學(xué)實驗標(biāo)準(zhǔn)的情況下進行使用，其取量標(biāo)準(zhǔn)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(xué)改性硅酸鹽固化劑的增強需要、粘結(jié)劑化學(xué)物質(zhì)穩(wěn)定性，本次實驗方案中選取了Al2O3 粉末。Al2O3 具有化學(xué)物質(zhì)穩(wěn)定性強、化學(xué)結(jié)合率高、試劑易收集的優(yōu)點，將其應(yīng)用于化學(xué)改性硅酸鹽粘結(jié)劑的成品中，能夠大幅度的增強化學(xué)改性硅酸鹽粘結(jié)劑的強度、力度，因此，將其作為粘結(jié)劑主體的骨架填料[5]。另外，值得注意的是，在化學(xué)改性硅酸鹽制備的過程中，將涉及到化學(xué)物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化與反應(yīng)，因此，要做好化學(xué)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(zhì)的化學(xué)反應(yīng)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(xué)改性硅酸鹽粘結(jié)劑制備需要嚴(yán)格按照化學(xué)實驗流程實施。通過K2Ti6O13晶須為主要的改良劑，加之適應(yīng)的固化劑、填充料作化學(xué)材料輔助，將化學(xué)性能改良劑與原有的硅酸鹽粘結(jié)劑原理進行混合，在符合標(biāo)準(zhǔn)的機械儀器中進行制備，從而獲取改性后的硅酸鹽粘結(jié)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(xué)改性后硅酸鹽粘結(jié)劑的粘接強度性能、抗壓性能分析上，主要采用GB/T 12833—2006標(biāo)準(zhǔn)，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(xué)改性后硅酸鹽粘結(jié)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(biāo)準(zhǔn)有所差異，第一輪取含有10%的K2Ti6O13晶須的硅酸鹽粘結(jié)劑在標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境下進行固化，實驗樣品完全固化后，將硅酸鹽粘結(jié)劑樣品放入最大載荷可達(dá)8.6 kN的機械設(shè)備中進行壓力測試，通過對化學(xué)改性后的硅酸鹽粘結(jié)劑的持續(xù)施壓，陸續(xù)記錄被施壓物的抗壓標(biāo)準(zhǔn)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(fù)第一輪步驟。通過3輪壓力值的記錄，分析出化學(xué)改性后的硅酸鹽粘結(jié)劑粘接強度值（見圖1）。其次，對化學(xué)改性后的硅酸鹽粘結(jié)劑的耐水性進行測試，按照GB/T 1733—1993標(biāo)準(zhǔn)進行測定，先將化學(xué)改性后的硅酸鹽粘結(jié)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(xué)改性后的硅酸鹽粘結(jié)劑的性能影響。最后，測量化學(xué)改性后硅酸鹽粘結(jié)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(xué)改性后的硅酸鹽粘結(jié)劑樣品研磨至粉末，然后在不同標(biāo)準(zhǔn)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(xué)改性后硅酸鹽粘結(jié)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%NaCl溶液中，采用三電極體系法進行測試[6]。

4 化學(xué)改性硅酸鹽粘結(jié)劑的制備結(jié)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(xué)改性后的硅酸鹽粘結(jié)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(zhì)量分?jǐn)?shù)的K2Ti6O13晶須對硅酸鹽粘結(jié)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(yīng)為硅酸鹽粘結(jié)劑化學(xué)總量的9.6%。在K2Ti6O13晶須的添加量不足硅酸鹽粘結(jié)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(dāng)K2Ti6O13晶須的添加量超過9.6%時，則硅酸鹽粘結(jié)劑的粘接強度仍然停留在9.6%的線值上，甚至出現(xiàn)了微許下降的態(tài)勢。其中，在實驗分析中發(fā)現(xiàn)，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(shù)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(guān)于K2Ti6O13晶須對硅酸鹽粘結(jié)劑的綜合性能影響如圖1所示。

4.2 化學(xué)改性后硅酸鹽粘結(jié)劑的材料性能

化學(xué)改性后硅酸鹽粘結(jié)劑的耐熱性能，通過對實驗樣品的耐熱性測試可知，經(jīng)過化學(xué)改性后的硅酸鹽粘接性抗熱性直線上升，化學(xué)改性后的硅酸鹽粘結(jié)劑的主要成分為硅鋁酸鹽等物質(zhì)。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(xué)改性后的硅酸鹽粘結(jié)劑放在150 ℃的封閉空間中加熱處理，通過加熱處理，再對化學(xué)改性后的硅酸鹽粘結(jié)劑的耐熱性測試，經(jīng)過測試可知，化學(xué)改性后的硅酸鹽粘結(jié)劑的耐熱性可達(dá)1 300 ℃，并且線膨脹系數(shù)已經(jīng)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(jié)劑雖然具備了一定的抗熱性能，但是抗熱性往往達(dá)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(jié)劑的粘接性能會持續(xù)下降，直至粘接實效;而經(jīng)過對原有的硅酸鹽粘結(jié)劑的化學(xué)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(xué)改性后的硅酸鹽耐水性能方面，經(jīng)過實驗測試，本實驗化學(xué)改性后的硅酸鹽粘結(jié)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(xué)改性硅酸鹽粘結(jié)劑加入一定量的K2Ti6O13晶須之后，其制備成的粘結(jié)劑成品的耐水性提升明顯，化學(xué)改性后硅酸鹽粘結(jié)劑的粘接強度、耐熱性與耐水性模擬如圖2所示[8]。

5 結(jié)語

硅酸鹽粘接劑作為目前市場上常見的無機膠，經(jīng)過一定的化學(xué)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(chǎn)品的耐腐蝕性、耐熱性、耐水性等。本研究中，通過采用標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)制備方法，在規(guī)定的化學(xué)實驗環(huán)境與設(shè)備儀器輔助下，主要以K2Ti6O13晶須為改性劑，加以其他粘結(jié)劑的加入，促進新的化學(xué)改性硅酸鹽粘結(jié)劑的形成。通過對改性后硅酸鹽粘結(jié)劑綜合性能測評知，化學(xué)改性后的硅酸鹽粘結(jié)劑性能值提升明顯。該制備方案與結(jié)果數(shù)據(jù)可供化工領(lǐng)域借鑒，更好的促進硅酸鹽粘結(jié)劑的研究與應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]陳洋，丁軍，曹桂蓮，等.室溫固化型Al2O3-SiO2系無機高溫黏結(jié)劑的制備[J].耐火材料，2020，54（1）：27-31.

[2] 柏廣峰.催化劑對硅酸鹽改性聚氨酯注漿材料力學(xué)性能的研究[J].煤炭與化工，2020，43（10）：119-121，139.

[3] 關(guān)皓琿，李倩倩，趙祥正，等.硅酸鹽無機膠粘劑的改性[J].中國膠粘劑，2019，28（7）：22-25，33.

[4] 張豫.影響硅酸鹽改性聚氨酯加固材料粘接強度因素的研究[J].煤炭與化工，2021，44（2）：151-155.

[5] 任留東，宗師，王彥斌，等.東南極拉斯曼丘陵硼硅酸鹽礦物組合硅硼鎂鋁礦-硼柱晶石-電氣石的形成過程及其巖石學(xué)意義[J].巖石學(xué)報，2021，37（2）：575-588.

[6] 王湘漢，劉蕊，譚波，等.改性硅酸鹽復(fù)合接地材料及其在輸電線路桿塔接地中的應(yīng)用[J].電瓷避雷器，2020（1）：36-41.

[7] 韓玲.高校體育器材用鋰基硅酸鹽材料的合成及應(yīng)用[J].粘接，2020，42（5）：59-62.

[8] 閆含.混凝土施工中無機粘接膠的性能及性能研究[J].粘接，2021，45（1）：97-101.