摘 要

水玻璃是多种聚硅酸盐的混合溶液，作为粘结剂由于其制备工艺简单、价格低廉、耐酸性强、绿色环保等优点已经在多个领域得到了广泛的应用。但是水玻璃固化物中会残留吸水性极强的碱金属氧化物及少量水溶性硅酸盐，导致其耐水性方面有明显的缺陷；同时凝胶固化过程涉及缩合与沉降反应，反应速率及放热都会对固化产物的结构产生重要作用，进而对其力学机械性能产生一定的影响。因此本研究通过改性、复合等方法设计满足性能要求的水玻璃固化剂。 

本研究以钾水玻璃和钠水玻璃为原料，使用三聚磷酸二氢铝、三聚磷酸铝和三聚磷酸硅作为固化剂，CMC作为添加剂配合使用。实验通过改变CMC的浓度和固化剂的用量来制备固化性能和耐水性优异的改性的水玻璃固化剂。

通过实验得到以下结论：水玻璃的种类、固化剂的种类、固化剂的用量以及CMC的浓度对耐水性和机械性能都有影响。相比而言，使用钾水玻璃比使用钠水玻璃得到的产物的耐水性好且固化性能优异；添加3g三聚磷酸硅比添加其他含量固化剂得到的产物的耐水性和固化性能好；使用2％的CMC作为添加剂得到的产物性能最优。

关键词：水玻璃；固化剂；耐水性；固化性能；聚硅酸盐

Abstract

Water glass is a mixture composed of polysilicate as a binder, and has been widely used in various fields because of its simple preparation process, low cost, strong acid resistance, green environmental protection and other advantages .However, there are residual alkali metal oxides and small amount of water soluble silicate in the curing agent of water glass, which cause obvious defects in water resistance; at the same time curing process involves settlement and condensation, the reaction rate and the heat release will be an important role on the cured product structure produces , and then affect on its mechanical properties. Therefore, this research designed the water glass curing agent to meet the performance requirements through modification, compounding and other methods.  

In this study, potassium silicate glass and sodium silicate were used as raw materials, using aluminium dihydrogen triphosphate, aluminium tripolyphosphate and trimeric silicon phosphate as curing agent, and CMC as additive.The modified water glass curing agent having excellent curing properties and water resistance was prepared by changing the concentration of CMC and the amount of the curing agent.

The following conclusions were obtained: the type of water glass, the type and amount of curing agent and the concentration of CMC had influence on water resistance and mechanical properties. In contrast, the products that use of potassium water glass obtained good water resistance and excellent curing performance than use the sodium water glass;the products that added 3g tripolyphosphate silicon as a curing agent has the best water resistance and curing properties;the product obtained by using 2% CMC as additive has the best performance.

Keywords: water glass; curing agent; water resistance; curing property; polysilicate

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及内容 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究内容 2

1.2 水玻璃的固化特性和固化机理 2

1.2.1 固化特性 2

1.2.2 不同途径的固化机理 2

1.3 水玻璃的改性 4

1.4水玻璃固化技术的发展状况 5

1.5水玻璃的应用 6

第2章 水玻璃固化剂的制备 8

2.1 引言 8

2.2 实验部分 8

2.2.1 实验原料 8

2.2.2 实验仪器设备 8

2.2.3 制备方法 8

第3章 水玻璃固化剂的性能测试及结果分析 10

3.1 性能测试 10

3.1.1 凝胶时间的测定与结果分析 10

3.1.2剪切强度的测定与结果分析 12

3.1.3 耐沸水性的测定与结果分析 13

3.2测试CMC浓度对水玻璃固化剂的影响 15

第4章 结论 17

参考文献 18

致谢 20

第1章 绪论

随着社会的发展，工业上对于环保的要求越来越高，人们的环保意识也显著提升，所以越来越多的科研人员致力于研究并制备环境友好、可持续发展的新型材料。而硅酸盐水玻璃作为粘结剂由于其制备工艺简单、价格低廉、耐酸性强、绿色环保等优点已经得到了许多研究人员和广大消费者的垂青。

1.1 研究背景及内容

1.1.1 研究背景

水玻璃是许多种聚硅酸盐组合成的混合溶液，是一种性能优良的胶凝剂。但是水玻璃的结构复杂，并不是几种聚硅酸盐的简单混合。因为水玻璃的组成随着模数（即水玻璃中二氧化硅和氧化钠的摩尔比值，用m表示)、浓度还有水玻璃中的电解质含量而改变，而且随着存放时间的增长水玻璃的组成同样会不断变化，所以导致了水玻璃中每一种聚硅酸的聚合度和分子结构以及含量都没有办法测定^[1]。水玻璃种类繁多，通常可以细分为硅酸钠水玻璃、硅酸钾水玻璃、硅酸锂水玻璃以及钾钠硅酸盐水玻璃和硅酸盐季胺水玻璃等。例如，硅酸钠水玻璃为溶液状态，而液体硅酸钠溶液是乳液，胶体，牛顿液体，当SiO2-Na2O键被中和或通过化学反应被破坏时粘度急剧上升，二氧化硅和氧化钠两种组分彼此独立。 例如，如果通过从硅酸钠的稀溶液中以硅酸（H2SiO4）的形式聚合而使组分SiO2析出，则另一组分氧化钠保留在水中的溶液中，形成氢氧化钠。 因此，所有的硅酸钠溶液由水，阳离子（阳离子），阴离子硅酸盐离子（阴离子）和胶体二氧化硅的阴离子胶束组成。在南方多称水玻璃，北方多称泡花碱。在以水为分散剂的体系中为无色、略带色的透明或半透明粘稠状液体。固体硅酸钠为无色、略带色的透明或半透明玻璃块状体。形态分为液体、固体、水淬三种。理论上称这类物质为“胶体”^[2]。

虽然水玻璃由于其绿色环保、制备工艺简单等优点广泛运用在涂料、防火材料、灌浆材料、铸造材料、化工、建筑防腐蚀等领域，但是水玻璃存在着易溶于水的碱金属离子，所以水玻璃固化物中会残留吸水性极强的碱金属氧化物及少量水溶性硅酸盐，因而在其耐水性方面会有明显的缺陷，不适用于潮湿环境^[3]。同时凝胶固化过程涉及缩合与沉降反应，反应速率及放热都会对固化产物的结构产生重要作用，进而对其力学机械性能产生一定的影响。因此以水玻璃为基料的材质都需要添加一定量的固化剂来改善其自身的耐水性和固化性能。显而易见在水玻璃的固化剂应用方面进行一定的研究分析是十分必要的，可以通过改性、复合等方法设计满足性能要求的水玻璃固化剂。

1.1.2 研究内容

针对水玻璃自身结构导致的耐水性差和固化过程对机械性能的影响，本课题在水玻璃的固化剂应用方面进行了一定的研究，并通过改性、复合等方法设计满足性能要求的水玻璃固化剂。研究内容主要包括：以无机固体酸（如磷酸铝、磷酸硅）为主体进行改性复合；通过聚合物包裹来改性无机固体酸，提升使用性能，最后制备得到符合环境保护和行业要求的水玻璃固化剂。