A级保温材料用无机胶黏剂的试验及分析*

赵洪凯　王洪里

(吉林建筑大学材料科学与工程学院，长春　130118)



A级保温材料用无机胶黏剂的试验及分析*

赵洪凯王洪里

(吉林建筑大学材料科学与工程学院，长春130118)

摘要：钠水玻璃无机胶粘剂具有无毒不燃、耐热、耐酸、耐久性好、成本低廉等优点,是A级保温材料的理想胶黏剂.本实验优选水玻璃、固化剂、硅溶胶、有机硅偶联剂等原料,采用单因素分析与正交分析,确定每一种原料的最佳水平,从而确定胶粘剂最佳配方.结果表明，胶黏剂固化温度100℃～120℃、时间2h左右时,综合性能最优化;粘结强度较好;热处理下胶黏剂耐水性极佳,但在水中有一定的溶出;热处理及助剂对凝胶时间、黏度有极大的影响,可通过调整其参数得到操作性良好的胶黏剂.

关键词：保温材料；防火；无机胶黏剂；钠水玻璃

0引言

水玻璃作为一种气干型胶粘剂具有优异的粘合性能和抗热老化性能,水玻璃硬化后可以抵抗除氢氟酸、热磷酸和高级脂肪酸以外的几乎所有无机和有机酸,此外水玻璃高温下粘合强度损失很少,可抵抗1000℃高温[1-2].钠水玻璃胶粘剂耐水性较差,可以采用氟硅酸钠、磷酸盐、有机酯硬化、CO2硬化改性[3-5],但效果一般.寻求合适的水玻璃模数以及改性剂,配制综合性能良好的水玻璃胶黏剂迫在眉睫,同时也有着广阔市场.

1实验部分

1.1　原料

水玻璃,模数3.0,固含量38%,市售产品;磷酸硅,工业级,威海天天科技精细化工有限公司产品;硅溶胶,工业级,沈阳市立新硅溶胶厂产品;硅烷偶联剂(KH-550),工业级,东营市恒益化工有限责任公司产品.

1.2　实验过程

优选固化剂、硅溶胶、有机硅偶联剂等助剂,通过正交试验,确定力学性能、耐水性能、凝胶时间等考察指标,确定每一种原料的最佳水平,结合单因素分析,确定胶粘剂最佳配方.

1.3　分析表征

1.3.1粘结强度的测定

根据GB/T 7124—2008/ISO 4587:2003胶粘剂拉伸剪切强度的测定标准,采用100mm×25mm铝合金片材在粘结之前,对加工的铝合金板先用丙酮超声清洗30mim,去除油污后用酒精清洗.粘结面长度为12.5mm±0.25,将制备的待测粘结强度样品在不同温度下进行固化,万能拉力试验机的恒定速度参照ISO 527-1,其载荷变化范围为8.3MPa/min～9.7MPa/min.测定钠水玻璃无机胶粘涂层的拉伸剪切强度,按式(1)计算:

(1)

其中,τ为胶粘剂拉伸剪切强度,MPa;P为试样剪切破环的最大负荷,N;B为试样搭接面宽度,mm;L为试样搭接面长度,mm.

1.3.2凝胶时间的测定

在室温条件恒定搅拌速度下，搅拌以后形成均匀胶液注入试管中,试管倾斜45°,液体不流动的时间为凝胶时间.

1.3.3耐水性试验

首先称量铝片的初重(m0),涂有胶粘涂层的试片称量(m1),然后在自来水中浸泡15d,取出后称量(m2).根据式(2)计算吸水率.

(2)

1.3.4凝胶过程黏度的测定

将配置好的水玻璃胶液置于烧杯中,定期测定胶液黏度随时间变化,黏度测定采用NDJ-4旋转黏度计.

2结果与讨论

2.1　不同助剂对胶粘剂粘结强度、耐水性、凝胶时间的影响

影响胶粘剂性能的因素较多,选择对胶粘剂性能影响可能较大的三种因素,即硅溶胶、固化剂、KH-550作为研究对象,应用正交试验设计法考察其用量对胶粘剂的性能的影响,以耐水性、粘结强度等为性能指标,确立基础配方.100份水玻璃中加入不同份数磷酸硅、硅溶胶、偶联剂,正交表及结果分析见表1.

由此可以得出:KH-550对粘结强度值的影响最大,硅酸盐固化物是以键能很大的硅氧键相互结合成硅氧四面体,进而形成大的三维空间网状结构,表面活性剂与胶粘剂中水玻璃发生交联化学反应,从而使强度增加;其次是加热温度,接着是硅溶胶、固化剂.

将试样放入水中,随着时间的增长,试片的质量不但没有增加,而是出现轻微的质量减轻,见表1.随着KH-550、硅溶胶的加入以及温度的升高,试样在水中的溶出率逐渐降低,可以理解为水玻璃胶膜在水中随着Na+溶出,溶液碱性逐渐增强,对胶膜中氧化硅网络骨架起到破坏作用,从而使胶膜不断被溶出.硅烷偶联剂可以有效抑制碱金属的游离,完美的、整体的三维网状结构的形成从而提高胶粘剂的耐水性能,如图1所示.水玻璃的加热硬化使Si-OH键进一步脱水缔合,形成Si-O-Si键,这是耐水性极好的三维结构的固化体系.Na+和H+处于三维结构膜的封闭状态中,遇水不溶.

图1 KH-550改性涂膜的疏水机理

凝胶时间表明:固化剂磷酸硅对凝胶时间影响最大,其次是温度、KH-550、硅溶胶,但三者对其影响相近,差别不大.分析可知,固化剂磷酸硅含量增加,凝胶时间减少,固化剂为5份时,无论添加KH-550与硅溶胶多少,其凝胶时间均较长;固化剂为15份时,添加硅溶胶、KH-550时,其凝胶时间相对缩短;固化剂为25份时,凝胶时间进一步缩短.

表1 四因素三水平试验

2.2　物料凝胶过程中黏度分析

采用磷酸硅25份、硅溶胶10份、偶联剂0.5份加入100份钠水玻璃中,其溶液黏度随时间变化曲线如图2所示.由图2可以看出，室温下凝胶时间很长,接近90min才渐渐失去流动性,具有较好的操作拌合性能;高温下,胶粘剂液体在9min左右,黏度大幅度提升,短时间内失去流动性,有利于快速加热成型.

(a) 20℃　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b) 100℃图2 胶黏剂粘度与时间的关系

2.3　最佳固化时间分析

固化时间过短,达不到应有的粘接强度;固化时间过长,不但起不到提高粘接强度的作用,反而浪费能源,增加成本.确定水玻璃100份、磷酸硅为10份、硅溶胶10份、HK-550为1份,固化温度100℃,研究不同固化时间对胶黏剂粘合强度的影响,实验结果如表2所示.考察胶粘剂的剪切强度,结果如表2所示.

表2 试样固化时间对强度的影响

由表2可以看出,随着烘烤时间的增加,剪切强度逐渐增大,当时间为2h左右时,强度趋于平衡,考虑到加工成本,固化时间可以定为2h.

3结论

钠水玻璃无机胶粘剂具有优异的综合性能,是A级保温材料的理想胶黏剂.不同助剂对胶黏剂粘结强度有一定的影响,掺入各种改性剂对粘结强度有较大的改善;胶黏剂耐水性极佳,硅烷偶联剂烃基以σ键与主链上的硅原子相结合,使水分子难以与亲水的氧接近,加热对相邻硅醇基之间的缩合起催化作用,形成耐水性极好的三维结构的固化体系;物料配方对凝胶时间有一定的影响,固化剂磷酸硅对凝胶时间影响最大,其次是温度、KH-550、硅溶胶,但是三者对凝胶时间影响相近,差别不大;物料固化过程中黏度分析得知,具有较好的操作性能,有利于快速固化成型.最终选择固化温度100℃～120℃,、固化时间2h左右时,强度趋于最大值.

参考文献

[1] 胡文垒.钠水玻璃耐高温胶粘剂的研究及工程应用[D].广州:华南理工大学,2011.

[2] 李扬林.LED封装用水玻璃基导热胶研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2011.

[3] 郑连杰.大功率LED封装用水玻璃基导热胶研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010.

[4] 樊自田,董选普,张大付,黄乃瑜.提高酯硬化水玻璃砂常温强度及溃散性研究[J].华中科技大学学报(自然科学版),2004,32(4):27-29.

[5] 侯彩英,周艳明,罗红,康永.水玻璃的固化机理及其提高耐水性途径分析[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

*基金项目：吉林省科技计划重大科技攻关项目(20130204009SF);吉林省科技发展计划项目(20140204081GX);吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目(吉教科合字[2014]第235号).

作者简介：赵洪凯(1974~),男,吉林省长春市人,副教授,博士.

收稿日期：2014-10-10.

中图分类号：TB 302.2

文献标志码：A

文章编号：2095-8919(2015)03-0005-04