硅酸盐无机胶粘剂的研制及应用

硅酸盐无机胶粘剂的研制及应用
作者：刘志浩
来源：《城市建设理论研究》2012年第32期
摘要：硅酸盐胶粘剂被广泛应用于机械、冶金、勘探、交通、兵器等领域，它的基本特点是：粘接性能好、耐高温、易操作、成本低、尤其在金属、玻璃、陶瓷等材料的生产和粘接等方面起着重要的作用。

在材料科学领域，硅酸盐无机胶粘剂已成为独立的研究方向。

本文系统地阐述了硅酸盐无机胶粘剂研制的原则、制备方法、研制关键和应用方面的一些特性，指出了硅酸盐胶粘剂的发展方向，在应用方面具备一定的指导意义。

关键词：硅酸盐胶粘剂、研制方法
中图分类号：O741+.4 文献标识码：A 文章编号：
无机胶粘剂的粘接技术在近几十年来被广泛应用，发展非常迅速。

作为一种粘接的技术手段，它的应用解决了大量粘接方面的生产技术关键问题，具有十分广泛的发展前景，无机胶粘剂按固化方式的不同可分为熔融固化型、挥发固化型、遇水固化型、反应固化型等。

其中反应固化型无机胶粘剂应用最广泛、也最具有应用价值。

反应固化型胶粘剂磷分为磷酸盐和硅酸盐两大类。

由于磷酸盐类胶粘剂质地太脆，且不耐高温。

因此，在实际生产中广泛应用的是硅酸盐类胶粘剂。

而硅酸盐无机胶粘剂的应用主要集中在水玻璃系列无机胶粘剂。

下面将详细阐述硅酸盐无机胶粘剂的研制方法，研制关键和应用特点。

一、无机胶粘剂的分类
按固化方式的不同可将无机胶粘剂分为熔融固化型、挥发固化型、遇水固化型、反应固化型。

其中反应固化型无机胶粘剂是应用最广、最有价值的一类，磷酸盐类和硅酸盐类胶粘剂是反应固化型胶粘剂中最为主要的两大系列。

由于磷酸盐类胶粘剂质地太脆，使用温度一般不宜高于 900℃，因而在实际生产中广泛应用的是硅酸盐类胶粘剂。

对硅酸盐无机胶粘剂的研究主要集中在水玻璃系列无机胶粘剂之上。

二、硅酸盐无机胶粘剂的构成。

硅酸盐无机胶粘剂是以硅酸钠(水玻璃)为主体，加入氧化物(如氧化硅、氧化铝、氧化锌、氧化镁和氧化铁等)、铝粉、石墨粉及水泥等配制而成。

品种较多，有硅酸钠石墨胶粘剂、硅酸盐水泥胶粘剂等．其中硅酸钠氧化物胶粘剂最为常用，最有价值。

硅酸盐无机胶粘剂由甲组分液体、双组分液体和粉末加水调和而成。

它能承受800~2900℃的高温，粘接碳铜的抗剪强度大于60MPa，抗拉强度大于30MPa。

可用于粘接金属、陶瓷、玻璃和石料等。

早期的硅酸盐胶粘剂同样存在着粘接强度不好，耐水性差、质脆不耐冲击等缺点。

因此，在生产中需要对其进行改性。

常见的有钛酸钾晶硅酸盐胶粘剂。

粘土和石棉粉是硅酸盐类胶粘剂的常用改性剂。

近年来，也有用晶须作改性剂的报道。

晶须是在人工控制的条件下，以单晶结构形式生长的高纯度针状纤维材料，其晶体结构完整、内部缺陷较少，加入胶粘剂中，能够均匀分散，起骨架作用，形成纤维复合材料。

它可以有效地改善材料的力学性能、耐热性能、摩擦磨损性能等。

三、硅酸盐无机胶粘剂的制备
（1）制备原则
胶粘剂是以水玻璃为胶料，按实际需要加入适当的固化剂和填料调和而成。

其固化剂主要包括二氧化硅、氧化镁、氧化锌、氢氧化铝、氟硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐等；填料的选取原则是加入该种填料后胶粘剂的线膨胀系数与被粘物的基本一致，保证在高温下使用时不致于产生过大热应力而破坏粘接，此外就填料本身还应具有较高的机械强度、较好的耐热和耐水性，并能降低胶粘剂固化时的收缩率等性能，如氧化硅、氧化铝、莫来石、炭化硅、淡化硅和云母等。

（2）研制的关键
其研制的关键是固化剂的合成。

固化剂的质量直接影响固化速度和粘接强度高质量的固化剂能够改善固化条件，提高结构强度。

另一关键是选用一定钾钠比、一定模数的水玻璃。

钾钠比直接影响水玻璃的粘滞性和粘结后的耐水性。

只有在最佳模数下，胶粘剂含硅量适中，才能保证粘接强度。

（3）制备方法
将预先处理好的固化剂与填料按一定的比例混匀，再和作为胶料的水玻璃调和在一起，调到规定的黏度，即成水玻璃系列胶粘剂。

水玻璃的粘结性能良好，硬化时析出的硅酸凝胶可堵塞毛细孔隙而防止水渗透，耐热、耐燃性好，耐酸性极好。

但最大的弱点就是耐水性能不好，制成的胶粘济容易发干，保质期短。

因此，必须采取改性措施来提高其耐水及其他性能，欲解决水玻璃的耐水改性，首先要从它的组成与结构分析入手，由于水玻璃中含有大量的Na离子。

大量实验表明：将钠水玻璃进行酸改性后，再复合以苯丙乳液和甲基硅酸钠作为基料，制成膜粘结剂。

这种方式使改性后的钠水玻璃具有具有极强的耐久的憎水性，但又有良好的透水性能。

在水玻璃体系中引入甲基硅酸钠，使硅原子上引入甲基取代基，由于甲基的疏水性，使其水溶性降低，形成的涂膜的耐水性提高。

同时，甲基硅酸钠和钠水玻璃结构上的相似性，二者可以随意互溶，而且甲基硅酸钠特殊的结构可以在粘剂料中将水分锁住，能大大改善水玻璃胶粘剂由于水分的丢失导致储存时间减少的问题。

在实验中发现较好的改性配比为水玻璃：苯丙乳液：无机酸：甲基硅酸钠：稳定剂=100:20:5:5:1
三、硅酸盐无机胶粘剂的应用
1、在模具铸造中的应用
硅酸盐胶粘剂具有有机树脂的特点，本身无毒，且耐高温，防水。

在铸造应用过程中，也不产生新的有害物质，如刺激性气体、烟雾等公害，有良好的耐热性和较高的粘接强度。

无机胶粘剂对粘接表面的加工精度、表面粗糙度要求不高，可降低模具制造成本和缩短制造周期。

另外，粘接工艺简单，操作方便，不会引起工件材料的热变形和硬度下降，使模具装配的质量及其使用精度得到了保证，从而提高模具的使用寿命。

在制备模具的过程中先在模具上涂-层有机胶粘剂，再在这种新型胶粘剂中浸渍，然后加热，经过高温煅烧而成。

这种胶粘剂在模具的精密铸造过程中可以提高粘接强度和减少加工时间。

2、在陶瓷及陶瓷复合材料中的应用
硅酸钠粘接强度高，耐高温性能好，但易脆。

用以制作纸张或纸板脆性较大，可以对硅酸钠胶粘剂进行改性以达到工艺要求。

以水玻璃与液体氧化铝配合使用作为陶瓷纤维纸的胶粘剂，强度高，柔软性和耐热性能好。

如果单独用胶体氧化铝或液体氧化铝做胶粘剂，陶瓷纤维纸的强度高，柔软性差，耐热性能也不好。

3、在固沙固灰中的应用
化学固沙是一种新型的固沙方法，主要是在流沙表面喷洒化学试剂形成一层具有一定强度、能够防止风沙吹蚀、又可保持下层水分的固结层。

以水玻璃为胶粘剂，沙子为骨料，在最优条件下制备出强度可达4 MPa的多孔固沙砖。

又以水玻璃为粘料，氯化铝为固化液，可以制备多孔固沙砖的胶粘剂。

同时，水玻璃胶粘剂较难在常温下快速固化，必须添加固化液才能快速固化。

采用无机胶凝剂改性后的水玻璃固沙时，可根据不同固沙环境的需要提高固结层的强度、抗水性和耐久性。

4 、在涂料中的应用
硅酸盐用作涂料胶粘剂稳定性能好，型壳强度高，操作方便，并具有优异的工艺性能。

碱金属硅酸盐作为富锌涂料胶粘剂，这类胶粘剂与锌发生化学反应生成硅酸锌，硅酸锌可以导电且化学性质稳定。

硅酸盐胶粘剂还可以与钢铁发生化学反应，产生很强的粘附作用来提高胶膜的耐摩擦性和耐热性。

5、在建筑中的应用
广义上说，硅酸盐水泥也是无机胶粘剂。

为了节约资源、能源和环保，各种新型水泥也应运而生。

铝酸钙水泥拥有很高的强度和耐久性，可以在高硫环境中使用。

硫酸铝钙水泥在制备
过程中低二氧化碳排放，低能耗，高强度，可以粘接重金属。

碱性活化水泥主要用废料生产，符合环保要求。

过硫酸盐水泥以废料为原料，低温下生产，在海水中有很好的耐久性。

四、结论
硅酸盐胶粘剂是一类使用方便、粘接强度高、耐高温且制备工艺和施工工艺都较简单的无机胶粘剂。

但是，由于硅酸盐胶粘剂内聚强度较低、脆性大、耐酸碱性能和耐水性差，因此，必须在使用时配以其它改性原料，降低其防水性能不好，较脆等缺点。

硅酸盐胶粘剂以其粘接性能好、耐高温、易操作、成本低、的优点，必将得到更为广泛的应用。

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