矿粉水玻璃系外墙涂料的制备机理研究

矿粉水玻璃系外墙涂料的制备机理研究

杨静1 ,王磊2 ,徐玲玲1
(1.南京工、I 大学材料科学与工程学院,江苏南京210009  2.南京梅宝新型建材有限公司,江苏南京210000)

多数有机涂料在生产过程中引入了对人体和环境有害的原材料,在涂料的施工和使用过程中排放出有害废水和废气,对环境造成污染。为此,开发低污染或无污染的环保型涂料受到广泛重视.
目前,国内无机涂料的基料大多为硅溶胶、水玻璃或白水泥,其它固体材料作为辅料掺入,起填充或改性等作用,掺量极为有限。将矿粉作为无机涂料的基料能降低成本、保护环境,具有重要的意义。矿粉一般呈灰白色,颜色较浅,作为涂料的基料便于调整体系颜色。另外,和其它胶凝材料相比,矿粉的化学活性较高。但MehtaI21认为,磨细矿渣的反应速度很快,几分钟内就能生成致密的铝酸盐,包覆在矿渣颗粒表面,阻止水化反应进一步进行,所以,必须掺加碱激发剂,破坏铝酸盐的形成,水化反应才能正常进行。矿粉作为无机涂料的基料时,其硬化过程需要一定的湿度和龄期,如果在室外薄层涂刷,涂层很容易在尚未硬化之前因严重失水而出现开裂、剥落等现象。因此,体系必须掺加适量的外加剂,防止涂层开裂甚至是剥落。本文以矿粉和水玻璃为主要原料,掺加适量有机材料(乳胶粉)进行改性,制备外墙涂料(底涂),借助XRD和SEM等测试方法分析矿粉、水玻璃体系涂料的制备机理。

l 原料
矿粉:$95级矿渣,d 22.909 m,碱性系数Mo=1.002,属中性矿粉,南京梅宝新型建材有限公司产,其化学组成见表1。

乳胶粉:市售。
填料:钛白粉、硅藻土、滑石粉,均为市售。
水玻璃:模数n为2.2 2.5,南京合一化工有限公司产。
氟硅乳液:杭州萧山恒盛涂料厂生产。
助剂:工业级,市售。
由SEM和激光粒度分析仪测定可知,梅宝矿粉主要由玻璃体组成,其含量98%以上。颗粒尺寸分布在10-40 m,颗粒比较圆滑,大颗粒及带尖锐棱角的颗粒较少。

2 实验
将矿粉、填料和乳胶粉按m(矿粉):m(填料):m(乳胶粉)=20:6:3混合均匀,与用碱调节过碱度的水玻璃混合,搅拌均匀后作为底涂进行涂刷,底层涂料表干后,在其表面涂刷1层经改性剂改性的氟硅乳液,然后将试板放在温度为(20±2)℃、相对湿度80%的环境中分别养护1、3、l0和14 d后,取一定量涂膜用XRD分析体系组成随龄期延长而变化的情况,用SEM观察各龄期体系的微观形貌。实验流程见图1。

3 结果与讨论
3.1 XRD分析(见图2)

从图2矿粉的XRD图谱可知,矿粉主要由玻璃体组成,具有潜在的水化胶凝活性。矿粉和经碱调节的水玻璃混合后,由于体系pH值很高,水化反应速度较快,研究表明 ,pH值大于11、5时,磨细矿渣的水化活性才能被有效激发,pH值小于9.5时,不会产生水化产物。从图2涂膜的XRD图谱可以看出,随着反应龄期的增加,表征无定形玻璃体结构的2 =30。左右的馒头状区域衍射峰面积逐渐减小,水化10d和14 d时SiO:几乎完全消失,表明未参加反应的矿粉的含量逐渐减少,10 d和14 d时基本完全反应。从图2中还能观察到结晶物质的尖锐特征峰,各龄期特征峰的强度基本不变,经鉴定判断为TiO:和CaCO 晶体。TiO:主要来自填料中的钛白粉,基本不参与矿粉水玻璃体系的反应,CaCO 晶体的产生可能是由于体系中水化反应产生的Ca(OH) 碳化所致。
矿粉玻璃体结构由网络形成体和网络改性体2部分组成。网络形成体主要由Si042 组成,网络改性体主要由Ca 和Mg2+~ ,它们存在于网络结构的空隙中,A1 则是网络结构的中间体,不仅是网络形成体,也是网络改性体嘲,矿粉玻璃体中的硅氧四面体存在8种聚合状态研。矿粉玻璃体结构的表面包覆一层“膜’一硅氧网络层,一旦这层膜被破坏,矿粉的玻璃体结构就会分散、溶解和水化。矿粉水玻璃体系的反应过程大致分为3个阶段:
(1)经碱调节的水玻璃存在时,矿粉玻璃体表面的Ca +、Mg2+ 等离子吸附碱性溶液中的OH一等离子,由于矿粉玻璃体结构是分相结构,富钙相为连续相,富硅相为分散相,富钙相的表面活化能比富硅相的要低[sl,OH一等离子首先与矿粉玻璃体表面的富钙相进行反应,生成氢氧化物,玻璃体表面硅铝氧网络结构破坏。
(2)当玻璃体表面受到破坏后,Ca+ 可以与介质中的Na+ 、k+等进行交换,促使网状玻璃体结构逐步分散、溶解,具体的反应过程如下:

当矿粉玻璃体结构解体后,暴露在碱性介质中的富硅相与OH一逐步发生反应。
(3)与此同时,水玻璃溶液中形成的Si(OPO 能与Ca(OH)反应生成水化硅酸钙凝胶,使体系产生强度 。

3.2 SEM分析(见图3)

从图3可以看出,在水化反应的不同龄期,水化硅酸钙的形貌各不相同,有网络状、颗粒状和纤维状等 。水化1 d时,涂膜表面出现大量网络状水化硅酸钙【见图3(a)】,水化3 d时,网络状的水化硅酸钙凝胶聚集在面层涂料表面、底层涂料内部和2层涂料之间【见图3(h)】。在底层涂料和面层涂料之间,产物水化硅酸钙起到了很好的“桥联”作用,增强了2层涂料间的粘结力。随着水化反应的进行,水化硅酸钙的量增加,10 d时,底层涂料中出现了大量的颗粒状水化硅酸钙【见图3(c)1,14 d时,在颗粒状水化硅酸钙附近则出现了大量纤维状水化硅酸钙f见图3(d)1。

4 矿粉水玻璃系外墙涂料的主要性能指标
以底涂配方为m(矿粉):m(填料):m(乳胶粉):m(水玻璃)=20:6:3:14,并在其表面涂刷1层经改性的氟硅乳液时,矿粉水玻璃系外墙涂料的主要性能指标见表2。

5 结语
(1)矿粉水玻璃体系经强碱调节后,水化反应较快,XRD分析结果显示,成膜10 d和14 d时,矿粉几乎完全参加了反应,生成水化硅酸钙凝胶。
(2)矿粉经碱激发后生成的产物水化硅酸钙在不同阶段出现多种形貌。SEM分析表明,水泥1 d和3 d时产物多为网络状的水化硅酸钙,水化3 d时,网络状的水化硅酸钙凝胶聚集在面层涂料表面,底层涂料内部和2层涂料之间;10 d时,主要为颗粒状的水化硅酸钙;14 d时,颗粒状结构附近产生了纤维状水化硅酸钙。
(3)调节碱度后的水玻璃可以激发矿粉的化学活性,可用丁制备外墙涂料。

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