CN106746672B - 一种Fe-Ni共掺的耐蚀玻璃及其制备和使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Fe‑Ni共掺的耐蚀玻璃及其制备和使用方法，原料组成为B2O3、SiO2、Na2O、K2O、Fe2O3和Ni2O3，其摩尔比为0~15：20~40：10~30：10~30：5~25：5~25。添加高浓度Na2O与K2O，改善玻璃与混凝土的相容性，并增大玻璃的热膨胀系数，显著降低玻璃的封接温度；SiO2为主的逆性网络，提高玻璃的耐蚀性，并与混凝土中的CaO反应，在钢筋表面生成致密的CaSiO3层，阻止钢筋的腐蚀；玻璃中高浓度Fe2O3和Ni2O3生成尖晶石结构的固溶体，与钢筋表面氧化层紧密搭接，显著增强玻璃与钢筋的附着力。本发明原料价格低廉，工艺稳定，达到实用化和工业化的条件。

Description

一种Fe-Ni共掺的耐蚀玻璃及其制备和使用方法
技术领域
本发明属于金属构件的玻璃涂层领域，具体涉及一种Fe-Ni共掺的耐蚀玻璃及其制备和使用方法。
背景技术
钢筋混凝土结构是由钢筋及混凝土两种力学性能完全不同的材料所组成的复合材料，它有效利用了钢筋的抗拉性能和混凝土的抗压性能，在实际施工中应用广泛。然而，钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀会严重影响钢筋的力学性能，降低钢筋与混凝土之间的黏结力，从而引起混凝土胀裂破坏，带来严重的安全隐患。目前，国内外研究者主要通过提高钢筋混凝土与混凝土的密实性等措施来减少钢筋在混凝土中的电化学腐蚀。国内外近期研究还表明，通过钢筋表面涂覆玻璃涂层可以有效隔绝混凝土对钢筋的腐蚀。然而，如何在钢筋表面涂覆致密的玻璃涂层并在长期服役过程中保持良好的界面结合力是应用过程中亟待解决的问题。此外，涂层自身在混凝土中往往会发生腐蚀，丧失对钢筋的保护作用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种Fe-Ni共掺的耐蚀玻璃及其制备和使用方法，通过添加高浓度Na2O与K2O并保持二者浓度为1:1，充分发挥混合碱效应，不仅能够保持玻璃的高碱度，提高其与混凝土的相容性，而且能够增大高玻璃的热膨胀系数，减小涂层与钢筋的热膨胀系数差异，还显著降低玻璃的封接温度。SiO2构成逆性玻璃网络，不仅能够提高玻璃的耐蚀性，还能够与混凝土中的CaO反应，在钢筋表面生成致密的CaSiO3层，进一步阻止钢筋的腐蚀。熔融急冷制备的玻璃中高浓度的Fe2+及Ni2+，不仅能够充当还原剂，有效阻止钢筋在封接过程的碳化和过度氧化，而且能够在封接界面构成浓度起伏，促进生成具有尖晶石结构的固溶体（Fe，Ni）2O3，与钢筋表面的氧化层（Fe2O3）形成共格界面，显著增强玻璃与钢筋的附着力。此外，高浓度的Ni2O3能够降低涂层的表面张力，提高封接性能，进一步增强玻璃与钢筋的附着力。本发明选择的制备原料价格低廉，工艺稳定，达到了实用化和工业化的条件。
本发明是通过如下技术方案实施的：
一种Fe-Ni共掺的耐蚀玻璃的原料组成为B2O3、SiO2、Na2O、K2O、Fe2O3和Ni2O3，其摩尔比为0~15:20~40:10~30:10~30:5~25:5~25，其中Na2O和K2O的摩尔比为1:1；优选的摩尔比为0~10:20~30:15~25:15~25:10~20:10~20，其中Na2O和K2O的摩尔比为1:1。
制备如上所述的Fe-Ni共掺的耐蚀玻璃的方法包括以下步骤：
（1）将原料混合均匀；经过850-1050℃熔制，保温时间1-4小时；对熔制好的玻璃液，进行急冷，获得玻璃熔块；然后，将玻璃熔块粉碎，研磨或者球磨，过筛后获得玻璃粉末；
（2）将玻璃粉末与粘结剂、分散剂和溶剂混合成浆料，在球磨机中球磨均匀分散；流延成型，自然干燥，然后裁剪成所需形状的胚体。
所述步骤（2）的粘结剂为环氧树脂、甲基纤维素、聚乙烯醇缩丁醛和聚乙烯醇中的一种或几种的混合物。
所述步骤（2）的分散剂为鱼油、聚丙烯酸、聚乙烯醇和聚丙烯酰胺中的一种或几种的混合物。
所述步骤（2）的溶剂为水、乙醇、异丙醇、正丁醇、甲苯、二甲苯和丙酮中的一种或几种的混合物。
将胚体置于待封接部位，在电炉中以1-5℃/min的速率升温，300-400℃保温0.5-2小时，然后以1-5℃/min的速率升温至530-630℃处理0.5-2小时。
本发明的显著优点在于：
（1）通过添加高浓度Na2O与K2O并保持二者浓度为1:1，充分发挥混合碱效应，不仅能够保持玻璃的高碱度，提高其与混凝土的相容性，而且能够增大玻璃的热膨胀系数，减小涂层与钢筋的热膨胀系数差异，还显著降低玻璃的封接温度；
（2）SiO2构成的逆性玻璃网络，不仅能够提高玻璃的耐蚀性，还能够与混凝土中的CaO反应，在钢筋表面生成致密的CaSiO3层，进一步阻止钢筋的腐蚀；
（3）熔融急冷制备的玻璃中高浓度的Fe2+及Ni2+，不仅能够充当还原剂，有效阻止钢筋在封接过程的碳化和过度氧化，而且能够在封接界面构成浓度起伏，促进生成具有尖晶石结构的固溶体（Fe，Ni）2O3，与钢筋表面的氧化层（Fe2O3）形成共格界面，显著增强玻璃与钢筋的附着力；
（4）高浓度的Ni2O3能够降低涂层的表面张力，提高封接性能，进一步增强玻璃与钢筋的附着力；
（5）本发明选择的制备原料价格低廉，工艺稳定，达到了实用化和工业化的条件。
具体实施方式
一种Fe-Ni共掺的耐蚀玻璃的原料组成为B2O3、SiO2、Na2O、K2O、Fe2O3和Ni2O3，其摩尔比为0~15:20~40:10~30:10~30:5~25:5~25。
制备如上所述的Fe-Ni共掺的耐蚀玻璃的方法包括以下步骤：
（1）将原料混合均匀；经过850-1050℃熔制，保温时间1-4小时；对熔制好的玻璃液，进行急冷，获得玻璃熔块；然后，将玻璃熔块粉碎，研磨或者球磨，过筛后获得玻璃粉末；
（2）将玻璃粉末与粘结剂、分散剂和溶剂混合成浆料，在球磨机中球磨均匀分散；流延成型，自然干燥，然后裁剪成所需形状的胚体。
所述步骤（2）的粘结剂为环氧树脂、甲基纤维素、聚乙烯醇缩丁醛，聚乙烯醇中的一种或几种的混合物。
所述步骤（2）的分散剂为鱼油、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺中的一种或几种的混合物。
所述步骤（2）的溶剂为水、乙醇、异丙醇、正丁醇、甲苯、二甲苯、丙酮中的一种或几种的混合物。
将胚体置于待封接部位，在电炉中以1-5℃/min的速率升温，300-400℃保温0.5-2小时，然后以1-5℃/min的速率升温至530-630℃处理0.5-2小时。
表1为实施例1-4中的封接玻璃组分表（摩尔百分数）
实施例1：材料的制备与封接
按照表1中实施例1的各组分的配比，称取一定量的分析纯原料（B2O3、SiO2、Na2O、K2O、Fe2O3和Ni2O3），用行星球磨机球磨24小时混合均匀；然后将粉料放入铂金坩埚，置于箱式电阻炉的空气气氛中，以3℃/min加热至1050℃，保温1小时；然后，取出坩埚，将熔体倒入去离子水中急冷，干燥获得玻璃熔体的碎块；研磨，过100目筛，得到玻璃粉体。将玻璃粉与聚乙烯醇、鱼油、乙醇和甲苯（重量比依次为80%、2%、1%、10%、7%）混合成浆料，在球磨机中球磨均匀分散；流延成型，自然干燥，然后裁剪成所需形状的胚体；将胚体置于待封接部位，在电炉中以2℃/min的速率升温，在400 ℃保温1小时，然后以2℃/min的速率升温至630℃处理2小时。该例为优选组成。将保温后的熔体倒入预热后的不锈钢磨具中，获得Φ=10mm，d=25mm的玻璃圆柱，在NETZSCH DIL 402EP热膨胀仪上以10℃/min的加热速率测试，获得玻璃的线膨胀系数。Fe2O3和Ni2O3的添加量均为10%的玻璃的线膨胀系数为1.14×10-5/K。该玻璃圆柱在80℃的水泥中进行加速腐蚀，其腐蚀率为0.054%/天。拉开法测试表明该玻璃涂层与钢筋的界面结合力为40MPa。
实施例2：材料的制备与封接
按照表1中实施例2的各组分的配比，称取一定量的分析纯原料（B2O3、SiO2、Na2O、K2O、Fe2O3和Ni2O3），用行星球磨机球磨24小时混合均匀；然后将粉料放入铂金坩埚，置于箱式电阻炉的空气气氛中，以3℃/min加热至980℃，保温1小时；然后，取出坩埚，将熔体倒入去离子水中急冷，干燥获得玻璃熔体的碎块；研磨，过100目筛，得到玻璃粉体。将玻璃粉与甲基纤维素、聚乙烯醇、正丁醇和丙酮（重量比依次为82%、2%、2%、8%、6%）混合成浆料，在球磨机中球磨均匀分散；流延成型，自然干燥，然后裁剪成所需形状的胚体；将胚体置于待封接部位，在电炉中以2℃/min的速率升温，在380℃保温1小时，然后以2℃/min的速率升温至600℃处理2小时。该例为优选组成。将保温后的熔体倒入预热后的不锈钢磨具中，获得Φ=10mm，d=25mm的玻璃圆柱，在NETZSCH DIL 402EP热膨胀仪上以10℃/min的加热速率测试，获得玻璃的线膨胀系数。Fe2O3和Ni2O3的添加量均为12.5%的玻璃的线膨胀系数为1.21×10-5/K。该玻璃圆柱在80℃的水泥中进行加速腐蚀，其腐蚀率为0.048%/天。拉开法测试表明该玻璃涂层与钢筋的界面结合力为42MPa。
实施例3：材料的制备与封接
按照表1中实施例3的各组分的配比，称取一定量的分析纯原料（B2O3、SiO2、Na2O、K2O、Fe2O3和Ni2O3），用行星球磨机球磨24小时混合均匀；然后将粉料放入铂金坩埚，置于箱式电阻炉的空气气氛中，以3℃/min加热至910℃，保温1小时；然后，取出坩埚，将熔体倒入去离子水中急冷，干燥获得玻璃熔体的碎块；研磨，过100目筛，得到玻璃粉体。将玻璃粉与环氧树脂、聚丙烯酰胺、异丙醇和甲苯（重量比依次为84%、1.5%、0.5%、9%、5%）混合成浆料，在球磨机中球磨均匀分散；流延成型，自然干燥，然后裁剪成所需形状的胚体；将胚体置于待封接部位，在电炉中以2℃/min的速率升温，在360℃保温1小时，然后以2℃/min的速率升温至560℃处理2小时。该例为优选组成。将保温后的熔体倒入预热后的不锈钢磨具中，获得Φ=10mm，d=25mm的玻璃圆柱，在NETZSCH DIL 402EP热膨胀仪上以10℃/min的加热速率测试，获得玻璃的线膨胀系数。Fe2O3和Ni2O3的添加量均为15%的玻璃的线膨胀系数为1.39×10-5/K。该玻璃圆柱在80℃的水泥中进行加速腐蚀，其腐蚀率为0.028%/天。拉开法测试表明该玻璃涂层与钢筋的界面结合力为47MPa。
实施例4：材料的制备与封接
按照表1中实施例4的各组分的配比，称取一定量的分析纯原料（B2O3、SiO2、Na2O、K2O、Fe2O3和Ni2O3），用行星球磨机球磨24小时混合均匀；然后将粉料放入铂金坩埚，置于箱式电阻炉的空气气氛中，以3℃/min加热至850℃，保温1小时；然后，取出坩埚，将熔体倒入去离子水中急冷，干燥获得玻璃熔体的碎块；研磨，过100目筛，得到玻璃粉体。将玻璃粉与聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯酸、异丙醇和丙酮（重量比依次为83%、2%、1%、9%、5%）混合成浆料，在球磨机中球磨均匀分散；流延成型，自然干燥，然后裁剪成所需形状的胚体；将胚体置于待封接部位，在电炉中以2 ℃/min的速率升温，在340℃保温1小时，然后以2℃/min的速率升温至530℃处理2小时。该例为优选组成。将保温后的熔体倒入预热后的不锈钢磨具中，获得Φ=10mm，d=25mm的玻璃圆柱，在NETZSCH DIL 402EP热膨胀仪上以10℃/min的加热速率测试，获得玻璃的线膨胀系数。Fe2O3和Ni2O3的添加量均为20%的玻璃的线膨胀系数为1.44×10-5/K。该玻璃圆柱在80℃的水泥中进行加速腐蚀，其腐蚀率为0.019%/天。拉开法测试表明该玻璃涂层与钢筋的界面结合力为51MPa。
本发明通过上述实施获得可在低温实施封接的玻璃。其显著的效果集中体现在玻璃在水泥中良好的耐蚀性及优异的界面结合力方面。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种Fe-Ni共掺的耐蚀玻璃，其特征在于：原料组成为B2O3、SiO2、Na2O、K2O、Fe2O3和Ni2O3，其摩尔比为0~10:20~30:15~25:15~25:10~20:10~20；其中Na2O和K2O的摩尔比为1:1；所述Fe-Ni共掺的耐蚀玻璃的制备方法包括以下步骤：
（1）将原料混合均匀；经过850-1050℃熔制，保温时间1-4小时；对熔制好的玻璃液，进行急冷，获得玻璃熔块；然后，将玻璃熔块粉碎，研磨或者球磨，过筛后获得玻璃粉末；
（2）将玻璃粉末与粘结剂、分散剂和溶剂混合成浆料，在球磨机中球磨均匀分散；流延成型，自然干燥，然后裁剪成所需形状的坯 体。
2.根据权利要求1所述的Fe-Ni共掺的耐蚀玻璃，其特征在于：所述步骤（2）的粘结剂为环氧树脂、甲基纤维素、聚乙烯醇缩丁醛和聚乙烯醇中的一种或几种的混合物。
3.根据权利要求1所述的Fe-Ni共掺的耐蚀玻璃，其特征在于：所述步骤（2）的分散剂为鱼油、聚丙烯酸、聚乙烯醇和聚丙烯酰胺中的一种或几种的混合物。
4.根据权利要求1所述的Fe-Ni共掺的耐蚀玻璃，其特征在于：所述步骤（2）的溶剂为水、乙醇、异丙醇、正丁醇、甲苯、二甲苯和丙酮中的一种或几种的混合物。
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