CN107151466A - 无机粘合剂及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于粘合剂技术领域，涉及一种无机粘合剂及其制造方法。本发明的制造方法是向纳米硅溶胶中加入碱金属氢氧化物，持续超声搅拌至pH稳定，得到硅酸盐溶液，向硅酸盐溶液中加入凝固剂，增稠剂，消泡剂，分散剂，高剪切混合、反应得到无机粘合剂。本发明以硅溶胶为原料，加入碱金属提高渗透性、缩短固化时间，加入含锌或铝的无机材料生成偏锌酸盐或偏铝酸盐，从而具有失水固化后不复溶于水的特性，并可加入无机填料提高固含量。

Description

无机粘合剂及其制造方法

技术领域

本发明属于粘合剂技术领域，涉及一种无机粘合剂及其制造方法。

背景技术

众所周知，粘合剂多为有机高分子的粉末、溶液或乳液，通过热熔、聚合、破乳等方式形成高强度膜。涂料可以看成单面粘合的粘合剂，其中的成膜物质便起到粘合剂的作用，将颜料和其他配料粘结到基材表面，以实现防护和美观的效果。

然而，有机粘合剂大都含有甲醛等VOC(挥发性有机物)，不仅对施工人员和使用人员的健康造成危害，还会加剧温室效应。

出于健康和环保的考虑，亟需性能优异无机粘合剂替代传统有机粘合剂，尤其是在无机材料之间的粘结方面，无机粘合剂具有更好的渗透性和相容性，是无机粘合剂代替有机粘合剂的前沿领域。

粘合剂主要用在建筑和工业领域。

在建筑领域，水泥因其价格低廉，是目前最常用的无机粘合剂，但其本身存在强度低、单位面积需用量大、扬灰大等问题。建筑上普遍使用水泥为粘合剂粘结各种土砖、瓷砖、马赛克、大理石、石灰等，然而由于膨胀率、吸水率等方面存在差别，导致土砖结构的强度下降、表面的的瓷砖、马赛克、大理石、石灰易脱落，不仅影响了美观，而且是安全隐患。

无论工业领域还是建筑领域，大量使用的涂料在本质上都是粘合组分(成膜物)和颜填料的组合物，当该组合物涂布到基材表面时，随着溶剂和分散剂的挥发，粘合组分固化成连续的涂膜，颜填料均匀分布在涂膜中。由于溶剂和分散剂的挥发会产生空隙，导致收缩或表面多孔，因此涂料的方向一直是提高固含量。

20世纪70年代NASA首次开发出了硅酸盐富锌涂料，使用高模数硅酸钾将锌粉粘结到钢铁表面，实现了自固化长效防腐。但是，当时NASA所用的高模数硅酸钾存在稳定性差和耐水性差的缺陷。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种无机粘合剂。

本发明的另一目的是提供一种无机粘合剂的制造方法。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：一种无机粘合剂，由以下质量份数的组分组成：

在上述的无机粘合剂中，所述的碱金属的氢氧化物为氢氧化锂、氢氧化钠或氢氧化钾中的一种或几种。

在上述的无机粘合剂中，所述的纳米硅溶胶平均粒径小于50纳米，pH大于8，且纳米硅溶胶中的质量浓度为15-35％。

在上述的无机粘合剂中，本无机粘合剂中，可溶性二氧化硅与碱金属的氢氧化物的摩尔比为3-20。

在上述的无机粘合剂中，本无机粘合剂中，纳米硅溶胶所含二氧化硅与加入的碱金属的氢氧化物的摩尔比为3-20。

在上述的无机粘合剂中，硅溶胶所含二氧化硅与加入的碱金属的氢氧化物的摩尔比为4-8。

在上述的无机粘合剂中，所述的凝固剂包括铝粉、锌粉、氧化铝、氧化锌、氢氧化铝、氢氧化锌或含有以上物质的矿石中的一种或几种，所述的增稠剂为非离子增稠剂，所述的消泡剂为非离子消泡剂，所述的分散剂为非离子分散剂。

在上述的无机粘合剂中，所述的矿石为高岭土、铝矾土、硅锌矿、云母、蒙脱石、膨润土、长石中的一种或几种，所述的增稠剂为纤维素及其衍生物或非聚醚聚氨酯，所述的消泡剂为油脂、高碳醇、聚氧化丙烯、聚氧化丁烯或聚硅氧烷消泡剂，所述的分散剂为低碳醇、多元醇或聚氧化乙烯。

一种无机粘合剂的制造方法，向纳米硅溶胶中加入碱金属氢氧化物，持续超声搅拌至pH稳定，得到硅酸盐溶液，向硅酸盐溶液中加入凝固剂，增稠剂，消泡剂，分散剂，高剪切混合、反应得到无机粘合剂。

在上述的无机粘合剂的制造方法中，所述的纳米硅溶胶、碱金属的氢氧化物、凝固剂、增稠剂、消泡剂和分散剂的质量份数依次为100份、1-20份、1-300份、0-2份、0-2份和0-2份，所述的凝固剂包括铝粉、锌粉、氧化铝、氧化锌、氢氧化铝、氢氧化锌或含有以上物质的矿石中的一种或几种，所述的增稠剂为非离子增稠剂，所述的消泡剂为非离子消泡剂，所述的分散剂为非离子分散剂。

在上述的无机粘合剂的制造方法中，所述的纳米硅溶胶平均粒径小于50纳米，所述的增稠剂为纤维素及其衍生物或非聚醚聚氨酯，所述的消泡剂为油脂、高碳醇、聚氧化丙烯、聚氧化丁烯或聚硅氧烷消泡剂，所述的分散剂为低碳醇、多元醇或聚氧化乙烯。

在碱金属离子的存在下，二氧化硅水合物脱水时会聚合成高分子，成膜并具有一定强度。溶液中二氧化硅与碱金属氧化物的摩尔比称为模数，模数和浓度越高则固化时间越短、溶液稳定性越差，固化后的强度越大、耐水性越好、收缩率也越大，可见硅酸盐的模数并不是越高越好。一般把模数大于4的硅酸盐称为高模数硅酸盐。

为了得到以上高模数硅酸盐，现有技术采用以下方法，以硅酸钾为例。

电渗析法。对低浓度(＜10％)硅酸钾水溶液进行电渗析，移除部分钾离子，然后浓缩。

离子交换法。采用阳离子交换树脂，移除低浓度(＜10％)硅酸钾水溶液中的部分钾离子，然后浓缩。

混合溶解法。向低模数硅酸钾里加入硅溶胶，再往体系中滴加少量硅氧烷。

水合二氧化硅法。将纳米二氧化硅溶于水或直接加入到低模数硅酸钾中，搅拌反应形成高模数硅酸钾。

直接化合法。向硅溶胶加入氧化钾，再加入有机硅改性树脂并搅拌。

以上述方法中，前两种方法只能用于低浓度硅酸钾，浓缩过程中极易导致溶液凝胶固化。第三种方法在加入硅溶胶的局部会形成超高模数硅酸钾，硅溶胶极易因聚集而使尺寸变大。第四种方法所用纳米二氧化硅尺寸一般在几十到几百纳米，尺寸越小溶液粘度越大、水合速度越慢，而且小尺寸的二氧化硅价格非常高，不具有经济性。第五种方法对氧化钾纯度要求很高，而且有机硅树脂的加入会降低最终涂膜的耐水性。

传统理论认为硅酸盐的模数越高稳定性越差，研究发现，混合多种硅酸盐可以有效提高稳定性，同样模数下，硅酸盐的稳定性顺序如下：

硅酸锂钾钠＞硅酸锂钠＞硅酸钾钠＞硅酸钠＞硅酸锂钾＞硅酸锂＞硅酸钾。

混合硅酸盐的模数按下式计算，最高可达20，并可稳定储存。

硅酸盐模数＝二氧化硅摩尔数/(氧化钾摩尔数+氧化锂摩尔数+氧化钠摩尔数)

向以上硅酸盐中加入铝粉、锌粉、氧化锌、氧化铝、氢氧化铝、氢氧化锌以及含有以上物质的矿物如高岭土、铝矾土等会反应生成偏锌酸盐或偏铝酸盐，从而具有失水固化后不复溶于水的特性。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：

本发明所述无机粘合剂以硅溶胶为原料，加入碱金属提高渗透性、缩短固化时间，加入含锌或铝的无机材料生成偏锌酸盐或偏铝酸盐，干燥失水时形成不溶性的硅酸锌或硅酸铝，从而具有失水固化后不复溶于水的特性，并可加入无机填料提高固含量。。

本发明通过向硅溶胶中加入锂、钾、钠的氢氧化物或其混合物，通过持续水解的方式制得高模数硅酸盐，不需要硅氧烷或有机硅树脂作为稳定剂，本发明的无机粘合剂稳定性和耐水性均较好。

本发明所述无机粘合剂用作涂料时，若加入适量烷基硅酸盐或C1-C12烷基三烷氧基硅烷，可在不显著降低附着力的情况下改善疏水性、耐水性，使涂膜表面水接触角大于90°。

该粘合剂可用于任何无机材料之间的粘合，比如瓷砖、土砖、马赛克、大理石、玻璃、水泥、钢铁等无机材料之间的粘结；并可填充不超过粘合剂重量2倍的无机填料，包括但不限定于石英、石灰、石膏、氧化铁、金刚砂、蒙脱石、白炭黑、碳酸钙、滑石粉、硅灰石、钛白粉、玻璃纤维、氮化硅纤维、氧化铝纤维、碳纤维等。

具体实施方式

下述实施例中所用的试剂，如无特殊说明，可以从常规生化试剂商店购买得到。以下实施例中的定量数据，均设置三次重复实验，结果取平均值。

实施例1

一种无机粘合剂的制造方法，60℃下向100g质量浓度25％的纳米硅溶胶中加入6.0g氢氧化钾，持续超声搅拌直到pH与稳定pH相差小于0.2，所得硅酸盐溶液模数为8.0。本实施例中所指的pH与稳定pH相差小于0.2是指在加入氢氧化钾并溶解后水相PH升高，其中的氢氧根水解/水合反应达到平衡时会得到一个平衡PH值。超声搅拌下，随着水解/水合的持续，pH逐渐下降到一个稳定pH值，当平衡pH值与稳定pH值相差小于0.2时，即视为得到pH值稳定。

降温至40℃下向硅酸盐溶液缓慢加入100g高岭土和50g无碱玻璃纤维粉，超声分散后，加入0.5gHEUR增稠剂和0.3g环氧大豆油，3000RPM搅拌20分钟。

所得无机粘合剂可用于陶瓷、玻璃、水泥等硬质无机材料之间的粘合。

实施例2

一种无机粘合剂的制造方法，50℃下向100g质量浓度20％的纳米硅溶胶中加入4.4g氢氧化钾和1.0g氢氧化锂，持续超声搅拌直到PH与稳定PH相差小于0.2，所得硅酸盐溶液模数为5.5。

40℃下向硅酸盐溶液缓慢滴加2g甲基硅酸钾，加入增稠剂和消泡剂，持续超声搅拌30分钟直到溶液均一透明。

将改性后硅酸盐溶液按质量比1:3与500目球状锌粉混合后或按质量比1:1.5与300目球状铝粉混合后喷涂在马口铁板上，固化后测试涂膜附着力为1级，表面水接触角大于90°。

所得粘合层可作为富锌或富铝防腐涂层，按GB/T 1720-79(89)测得附着力为0级。

实施例3

一种无机粘合剂的制造方法，50℃下向100g质量浓度25％的纳米硅溶胶中加入11.9g氢氧化钾，持续超声搅拌直到PH与稳定PH相差小于0.2，所得硅酸盐溶液模数为4.0。

40℃下向硅酸盐溶液缓慢加入20g活性氧化铝和100g超细石英粉，超声分散后研磨30分钟，加入增稠剂和消泡剂。

所得无机粘合剂可用作地坪涂料，加入氧化铁颜料固化后表面硬度达到莫氏7级。

实施例4

一种无机粘合剂的制造方法，向100g质量浓度15％的纳米硅溶胶中加入1g氢氧化钠，持续超声搅拌至pH稳定至10-10.2之间。

再加入50g铝粉，50g锌粉、20g氧化铝、20g氧化锌、20g氢氧化铝、20g氢氧化锌，2g乙醇，搅拌均匀，研磨30分钟后，加入2g聚硅氧烷消泡剂和2g HEUR增稠剂，再次搅拌均匀。

所得到无机粘合剂可用作墙面涂料，代替有机高分子拉毛涂料，并具有优异的防腐效果。

实施例5

一种无机粘合剂的制造方法，向100g质量浓度35％的纳米硅溶胶中加入15g氢氧化钾，持续超声搅拌至pH稳定至11.5-11.7之间。

再加入0.5g铝粉，0.5锌粉g，搅拌均匀，3000RPM分散30分钟形成均一稳定的溶液。

所得到无机粘合剂可用作水泥和混凝土的密封固化剂。该无机粘合剂加水稀释后撒在水泥表面，除了能渗透到水泥内部堵住水泥里的毛细孔，还可以产生修补效果，使有裂缝的水泥粘合。与普通硅酸盐固化剂不同，该无机粘合剂即使残留在水泥表面，固化后也不会复溶于水，表面硬度达到莫氏6级。

实施例6

一种无机粘合剂的制造方法，向100g质量浓度35％的硅溶胶中加入2g氢氧化锂，3g氢氧化钾，持续超声搅拌至pH稳定至10.5-10.7之间。

再加入20g高岭土，20g铝矾土、25g云母、25g钾长石，1g聚氧乙烯，超声搅拌均匀，用球研磨30分钟后，加入1g聚氧化丁烯消泡剂和1gHEUR增稠剂，再次搅拌均匀。

所得无机粘合剂可用作石材粘合剂，粘合已成型的大理石、花岗岩等，或是将颗粒大理石、花岗岩等粘合成块。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种无机粘合剂，其特征在于：由以下质量份数的组分组成：

2.根据权利要求1所述的无机粘合剂，其特征在于：所述的碱金属的氢氧化物为氢氧化锂、氢氧化钠或氢氧化钾中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的无机粘合剂，其特征在于：所述的纳米硅溶胶平均粒径小于50纳米，pH大于8，且纳米硅溶胶中的质量浓度为15-35％。

4.根据权利要求1所述的无机粘合剂，其特征在于：本无机粘合剂中，纳米硅溶胶所含二氧化硅与加入的碱金属的氢氧化物的摩尔比为3-20。

5.根据权利要求4所述的无机粘合剂，其特征在于：本无机粘合剂中，硅溶胶所含二氧化硅与加入的碱金属的氢氧化物的摩尔比为4-8。

6.根据权利要求1所述的无机粘合剂，其特征在于：所述的凝固剂包括铝粉、锌粉、氧化铝、氧化锌、氢氧化铝、氢氧化锌或含有以上物质的矿石中的一种或几种，所述的增稠剂为非离子增稠剂，所述的消泡剂为非离子消泡剂，所述的分散剂为非离子分散剂。

7.根据权利要求6所述的无机粘合剂，其特征在于：所述的矿石为高岭土、铝矾土、硅锌矿、云母、蒙脱石、膨润土、长石中的一种或几种，所述的增稠剂为纤维素及其衍生物或非聚醚聚氨酯，所述的消泡剂为油脂、高碳醇、聚氧化丙烯、聚氧化丁烯或聚硅氧烷消泡剂，所述的分散剂为低碳醇、多元醇或聚氧化乙烯。

8.一种无机粘合剂的制造方法，其特征在于：向纳米硅溶胶中加入碱金属氢氧化物，持续超声搅拌至pH稳定，得到硅酸盐溶液，向硅酸盐溶液中加入凝固剂，增稠剂，消泡剂，分散剂，高剪切混合、反应得到无机粘合剂。

9.根据权利要求8所述的无机粘合剂的制造方法，其特征在于：所述的纳米硅溶胶、碱金属的氢氧化物、凝固剂、增稠剂、消泡剂和分散剂的质量份数依次为100份、1-20份、1-300份、0-2份、0-2份和0-2份，所述的凝固剂包括铝粉、锌粉、氧化铝、氧化锌、氢氧化铝、氢氧化锌或含有以上物质的矿石中的一种或几种，所述的增稠剂为非离子增稠剂，所述的消泡剂为非离子消泡剂，所述的分散剂为非离子分散剂。

10.根据权利要求9所述的无机粘合剂的制造方法，其特征在于：所述的纳米硅溶胶平均粒径小于50纳米，所述的增稠剂为纤维素及其衍生物或非聚醚聚氨酯，所述的消泡剂为油脂、高碳醇、聚氧化丙烯、聚氧化丁烯或聚硅氧烷消泡剂，所述的分散剂为低碳醇、多元醇或聚氧化乙烯。