CN103333618B - 硅酸盐系无机水性粘合剂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅酸盐系无机水性粘合剂，由多种原料混合而成；所述原料包括：液体硅酸钠32～42质量份，液体硅酸钾5～13质量份，硅溶胶5～7质量份，去离子水2～3质量份，液体硅酸锂5～9质量份，无机酸5～8质量份；所述无机酸为10％的磷酸溶液或10％的蚁酸溶液。本发明提供了一种环保、不燃、无毒的硅酸盐系无机水性粘合剂。且本发明优化和提高了粘合剂的耐水性、稳定性及持久性。
Description
技术领域
本发明涉及硅酸盐系无机水性粘合剂，尤其是涉及具有无毒、不燃性能的硅酸盐系环保无机水性粘合剂。
背景技术
一般来讲，利用无机硅酸盐制作出的粘合剂是水性的，也是环保的。该粘合剂因使用原料低廉有成本优势，但有耐水性差，柔韧性不强等弱点。一直以来，该粘合剂的使用范围只局限于水泥组成物，砂浆，陶瓷等领域。
在工业用粘合剂领域里，石油化学系树脂与水进行稀释改性成乳化形态做出的粘合剂，一直占有主导地位。但是，上述石油化学系树脂的粘合剂在生产制造过程中，为促进溶剂的蒸发，需要在相对高温条件下进行加热，这导致了溶剂公害的诱发及能源的浪费。
为解决这一课题，目前采取的措施有：产品的高浓度化、粉体化、热熔粘接化、蒸发法、电积法等等。这不仅需要对生产设备的高额投入，还会引发环境污染，且不能从根本上解决问题，因此难以实施量产。
目前，无机粘合剂已有专利产品中存在的问题有：(1)粘合剂的干燥及硬化缓慢，初期耐水性差。(2)水的沸点比石油化学系溶剂在数值上低，但饱和蒸汽压相对较高，干燥和硬化时间是石油化学系粘合剂的2～3赔。(3)石油化学系粘合剂大多是二液型双组份的，在实际现场作业中混合好的二液型粘合剂因较短时间硬化要尽快使用完，这样不仅会产生浪费，废弃处理也很麻烦。(4)目前专利产品中对粘合剂储藏性的解决方法是，在硅酸盐混合物内按一定比例添加亚克力系乳化聚合物(Emulsion)和氨基甲酸乙酯水分散剂(Poly-urethaneDispersion in Water)进行改性。这样做的弊端是，粘合剂中会产生相当量的沉淀凝固物(即水性乳化聚合物中产生的凝结物)，使粘合剂的稳定性和储藏性不理想，同时失去不燃性能，火灾发生时会有害气体的排放。
氟硅酸钠或氟化钙做为耐水增强剂在现有的专利中可见应用，相关文献也对它的功效进行了描述，但此物质因不易溶于硅酸盐混合物，其使用效果不佳且价格又相对较高，在这个层面上不宜应用到量产。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种性能更好的硅酸盐系无机水性粘合剂。
为实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种硅酸盐系无机水性粘合剂，由多种原料混合而成；
所述原料包括：液体硅酸钠32～42质量份，液体硅酸钾5～13质量份，硅溶胶5～7质量份，去离子水2～3质量份，液体硅酸锂5～9质量份，无机酸5～8质量份；
所述无机酸为10％的磷酸溶液或10％的蚁酸溶液。
优选的，所述原料还包括矿物纤维1.5～2.5质量份。
优选的，所述原料还包括氧化锌1～3质量份。
优选的，所述原料还包括氢氧化钙3～4质量份。
优选的，所述原料还包括偏高岭土13～19质量份。
优选的，所述原料还包括矿物质微粉末3～4质量份，所述矿物质微粉末由活性软玉微粉末、活性硅藻土微粉末、泡沸石微粉末中的一种或多种组成。
优选的，所述原料还包括无机表面活性剂3～7质量份。
优选的，所述液体硅酸钠中二氧化硅和氧化钠的摩尔比为2.8～3.4∶1。
优选的，所述液体硅酸钾中二氧化硅和氧化钾的摩尔比为3.2～3.6∶1。
优选的，所述液体硅酸锂中二氧化硅和氧化锂的摩尔比为4.8～5.2∶1。
本发明的优点和有益效果在于：提供一种环保、不燃、无毒的硅酸盐系无机水性粘合剂。且本发明优化和提高了粘合剂的耐水性、稳定性及持久性。
液体硅酸钠、液体硅酸钾、液体硅酸锂是硅酸盐混合物溶液中，无毒的水溶性添加原料。这些原料价格廉价，其不燃性在粘合剂和涂盖剂应用中作用突出，形成薄膜过程中在干燥的同时会形成坚韧、牢固、密实的无机结合体。可用于各种材质的粘连，作为改质粘合剂的添加剂，建筑用天棚及墙壁内、外墙纤维素材料的粘连剂，凝固用添加剂，高耐热用涂剂，粉末状粘合剂的原料，石材胶黏等诸多领域使用。
制作本发明硅酸盐混合物时，将液体硅酸钠和液体硅酸钾按一定比例进行添加，不降低硅酸盐混合物储藏性，液体硅酸锂保障初期耐水性的同时还会与蚁酸、磷酸等无机酸进行化学硬化反应，使两者都会对粘合剂的防水起到增强作用，都会缩短粘合剂的干燥和硬化时间。
添加的液体硅酸锂和硅溶胶可作为去离子水缓冲液。
按一定比例添加矿物性纤维，可防止龟裂、提高产品的柔韧性与粘稠度。
氧化锌可作为耐水增强剂。
按一定比例添加与硅酸盐混合物进行水化反应的偏高岭土(Calcined Kaolin煅烧高岭土)和氢氧化钙，可提高产品的初期耐水性及硬化后组织的缜密性和强度，缩短干燥及硬化时间。
添加功能性矿物质微粉末，即活性软玉微粉末、活性硅藻土微粉末、泡沸石微粉末等，使产品有了远红外线放射功能，负离子生成及抗菌、除异味、抗霉菌功能，无毒、不燃。
现有的石油化学系粘合剂里，含有甲醛等有害于人体的挥发性有机成分，本发明选择的矿物质微粉末，会对产品里的挥发性成分进行有效分解。
按一定比例添加无机表面活性剂，可调节现场作业复合基质之间的粘合时间距离。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
液体硅酸钠、液体硅酸钾和液体硅酸锂可通过常规方法制得。如液体硅酸钠可通过将二氧化硅(SiO2)与碳酸钠(Na2CO3)等混合后，经高温熔化为液体而制得。
不同摩尔比的液体硅酸钠、液体硅酸钾及液体硅酸锂的基本物理特性见表1。
表1不同摩尔比的液体硅酸钠、液体硅酸钾及液体硅酸锂的基本物理特性
具有上述表1物理特性的液体硅酸盐(silicate)，在水分蒸发、干燥硬化及化学硬化过程中，会形成坚固的粘合剂。随着水分的蒸发，液体硅酸盐逐渐具有粘性，随着粘度增加而固化。
表1中，液体硅酸钠A及D中SiO2/Na2O的摩尔比在2.8～3.3∶1，液体硅酸钾I中SiO2/K2O的摩尔比在3.2～3.6∶1，摩尔比较高。液体硅酸钠E、F、G的摩尔比低，应更有助于干燥硬化。
液体硅酸钠A的情况是，初期含水量62.4％时粘度在20℃下为1.8mPa。水分蒸发减少6％重量时，其粘度为20mPa；减少重量12％时，粘度急剧上升到2,300mPa；当重量减少至13％～14％时粘度为40,000mPa，这时液体已失去流动性回到了初期的硬化状态。
摩尔比较高的液体硅酸盐，初期指触干燥时间短，水分的少量蒸发就能达到水的低粘度，并能转化为准固体状态(初期会出现假硬化现象)；如液体硅酸钠F、G等摩尔比较低的液体硅酸盐，因具有高碱性水分蒸发缓慢，虽然以高温加热的方式可以促进水分的蒸发，但因过高的粘度(如液体硅酸钠E)很难与其它物质混合，难以适用；相反，如液体硅酸钾H，摩尔比较高液体因粘度过低而无法实际应用。
本发明使用的液体硅酸钠中二氧化硅和氧化钠的摩尔比为2.8～3.4∶1；使用的液体硅酸钾中二氧化硅和氧化钾的摩尔比为3.2～3.6∶1。液体硅酸锂的重要优点是，能制作出比液体硅酸钠和液体硅酸钾的摩尔比更高的液体产品。液体硅酸钠中SiO2的浓度在10％以上，摩尔比为4～4.5时，溶液粘度增高的同时液体状态会不稳定。液体硅酸锂的SiO2浓度为20％，摩尔比为5～8时(如液体硅酸锂J、K)，在室温环境下液体状态稳定，但粘度较低。水化的锂离子，比水化的纳离子和水化的钾离子具有更加稳定的液体状态。与液体硅酸钠和液体硅酸钾不同，液体硅酸锂在室温干燥中薄膜有不易溶于水的特性，本发明合理地运用了这一特性，提高了上述硅酸盐混合物的初期耐水性。本发明使用的液体硅酸锂中二氧化硅和氧化锂的摩尔比为4.8～5.2∶1。
将上述一定摩尔比的液体硅酸钠、液体硅酸钾、液体硅酸锂进行混合制作硅酸盐混合物，可生产出高粘合力和高耐水性的粘合剂。本发明采用的配比是：液体硅酸钠32～42质量份，液体硅酸钾5～13质量份，液体硅酸锂5～9质量份，去离子水2～3质量份。上述配比中，液体硅酸钠的质量份若不足32质量份，就会降低产品的粘合力，若高于42质量份，粘合剂的表面会因湿度形成白化现象，从而降低耐水性。
在上述硅酸盐混合物中，为降低液体硅酸锂里可逆溶出的锂离子的浓度，添加了5～7质量份的硅溶胶。硅溶胶的添加量小于4质量份，会降低耐水性，高于8质量份时，会阻碍粘合力，所以选择5～7质量份的添加范围。选择含有30％以上SiO2及粒径大小为10～30nm的硅溶胶，会有助于提高粘合剂的耐水性及粘合力的持久性。
为提高硅酸盐粘合剂的耐水性及粘合强度，缩短粘合剂的硬化时间，添加了一定量的化学硬化剂，经过对大量无机酸类化学硬化剂的多次实验，采用了效果最为突出的蚁酸及磷酸。另外，为防止与强碱硅酸盐的急剧反应下产生凝固物(Coagulum)，使用了10％的蚁酸或磷酸溶液，并以滴下(Dropping)的方式进行了添加，提高了产品的稳定性。所述无机酸按5～8质量份加入上述硅酸盐混合物中。
本发明制造的无机水性粘合剂，因无机物固有的原料特点，具有较高强度。为防止产品使用后产生龟裂，按一定比例添加矿物质纤维，使其具有柔韧性。上述粉末状矿物质纤维有良好的柔韧性、分散性、亲水性和耐化学性，抑制了粘合剂使用后龟裂的产生。矿物质纤维会按1.5～2.5质量份添加到硅酸盐混合物中。添加量若不足1.5质量份，粘合剂会因增稠而产生沉降，并无法防止龟裂的产生；添加量若超出2.5质量份，过高的粘度上升会影响产品的正常使用。本发明中，使用的矿物质纤维的平均粒径为4000μm。
未分化氧化锌作为化学硬化剂，与硅酸盐有亲和性，从而提高了粘合剂的硬度。它还可以轻易捕捉大气中的二氧化碳，对粘合剂的快速干燥及水分的完全消除起到了辅助作用。锌离子会在钢铁材等金属表面组成锌相薄膜，不仅对复合基质进行了有效防腐，还提高了产品的耐水性。在本发明中，未分化氧化锌的添加量为1～3质量份。所述氧化锌与TiO2等混用时，会因促进干燥使粘合剂的性能得到强化，还有吸收紫外线，提高耐候性的作用。在本发明中，氧化锌添加量在2质量份时效果最佳。
本发明制作的无机粘合剂，可用于不燃、无毒环保板及嵌板的合成。这种建筑用板材在生产过程中，通常会采用加热干燥以及红外线及高周波、中周波干燥的方式。为使板材能在常温下干燥合成，本发明将水化反应用于粘合剂的制作中。例如：炼铁厂的炉渣(slag)与水泥进行混合，水泥中的成分经化学反应作用于混凝土结构中，从而强化了混合物的强度，这就是水化反应。将偏高岭土与氢氧化钙按一定比例进行添加，就会产生水化反应。所述偏高岭土(Al2O3·2SiO2)中的Al2O3·2SiO2·2H2O含有微量水分或无水状态时，会表现非常优秀的水化反应，可赋予粘合剂具有高强度。所述偏高岭土与强碱性氢氧化钙Ca(OH)2，经水化反应生成硅酸盐钙水合物(Calcium silicatehydroxide gel，CSH(ge1))及含有非晶体(非晶质，Amorphous)碱的铝硅酸盐矿物质，使无机水性粘合剂在硬化初期，就具有缜密性组织及极高的强度。所述偏高岭土中碱的活性，在无机水性粘合剂制作中有增强粒子间缜密性的特性，从而减少了产品的透水性及吸水性。采用经水化反应制造出的无机水性粘合剂制作出的涂料，在与水泥等无机材料表面粘合时，不仅能增强其附着力，还能促进涂料的干燥时间。
适用于本发明的偏高岭土的成分，如表2所示。
表2偏高岭土的组成成分
| 含量 | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | MgO | CaO | K2O+SiO2 |
| ％ | 56 | 37 | 2.4 | 0.3 | 0.2 | 0.9 |
本发明生产的无机水性粘合剂中，若增加偏高岭土的添加量，就会减少产品的硬化速度及干燥时间，但同时粘度上升的过高会影响施工。因此，在上述硅酸盐混合物中添加比表面积(单位：cm2/g)为10,000～14,000的偏高岭土13～19质量份最为适宜。另外，将1～3质量份的氢氧化钙添加到硅酸盐混合物内，与偏高岭土内含有的金属化合物氧化铝(Al2O3)进行化学反应生成不燃性金属硅酸盐物质，发挥高粘合力作用。
在上述无机水性粘合剂里，添加未分化的矿物质软玉(Nephrite)微粉末，活性化硅藻土微粉末，赋予产品负离子产生功能，远红外线释放功能，抗菌功能和除异味功能。将平均粒径为1000～3000目的活性化软玉微粉末按一定比例添加使用；将平均粒径为1000～3000目的泡沸石按一定比例添加使用。
本发明的具体实施例如下：
实施例1
取液体硅酸钠37g(SiO2/Na2O的摩尔比为3.20)，液体硅酸钾9g(SiO2/K2O的摩尔比3.22)，液体硅酸锂7g(SiO2/Li2O的摩尔比5.1)和为提高硅酸盐间互通性添入的去离子水2.5g，硅溶胶6g(30％含量的SiO2，平均粒度10nm)。将这些物质放入带有刮刀的搅拌器内搅拌30分钟以上，达到搅拌均匀，将6.5克10％的磷酸水溶液用粉液漏斗在60分钟内慢慢加入，边添加边搅拌，再投入2g矿物质纤维搅拌30分钟，进行充分分散制得到无机水性粘合剂。本实施例使用的矿物质纤维是Lapinus702K2-Roxull000(Lapinus纤维公司，荷兰)。
实施例2
按实施例1的制作方法制造，酸硬化过程中的磷酸水溶液由稀释了10％的蚁酸水溶剂代替，其他不变，制得到无机水性粘合剂。
其他实施例和对比例见表3.
表3其他实施例和对比例
如表3所示，使用了无机表面活性剂的无机水性粘合剂，不会对抗菌、防霉等功能产生影响。使用的功能性矿物质原料及经水化反应进行硬化的组织结构，提高(确保)了粘合剂的耐水性。本发明粘合剂具有耐热稳定性，有别于现有水性粘合剂。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.硅酸盐系无机水性粘合剂，其特征在于，由多种原料混合而成；
所述原料包括：液体硅酸钠32～42质量份，液体硅酸钾5～13质量份，硅溶胶5～7质量份，去离子水2～3质量份，液体硅酸锂5～9质量份，无机酸5～8质量份，矿物纤维1.5～2.5质量份，氧化锌1～3质量份，氢氧化钙3～4质量份，偏高岭土13～19质量份，矿物质微粉末3～4质量份，无机表面活性剂3～7质量份；
所述无机酸为10％的磷酸溶液或10％的蚁酸溶液；
所述矿物质微粉末由活性软玉微粉末、活性硅藻土微粉末、泡沸石微粉末中的一种或多种组成；
所述液体硅酸钠中二氧化硅和氧化钠的摩尔比为2.8～3.4∶1；
所述液体硅酸钾中二氧化硅和氧化钾的摩尔比为3.2～3.6∶1；
所述液体硅酸锂中二氧化硅和氧化锂的摩尔比为4.8～5.2∶1。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PP01 | Preservation of patent right | ||
| PP01 | Preservation of patent right |
Effective date of registration: 20191127 Granted publication date: 20140903 |
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| PD01 | Discharge of preservation of patent | ||
| PD01 | Discharge of preservation of patent |
Date of cancellation: 20221127 Granted publication date: 20140903 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140903 |