何明生,李建保,林 红,郝 锋,李法荟
(清华大学材料科学与工程系,新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室,北京 100084)
摘要：水玻璃是一种性能良好的胶凝剂。采用结晶氯化铝溶液为固化剂,通过对固化产物的IR光谱、RM光谱和NMR光谱分析表明:氯化铝促使水玻璃的凝聚和聚合,不同浓度的固化剂生成不同聚合程度的铝硅酸盐聚合物, Al3+进入硅酸盐结构中有利于增加其胶结固化强度和耐水性。
关键词：结晶氯化铝;水玻璃;固化机理
中图分类号：TQ630. 1 文献标识码:A 文章编号:1001-1625(2008)05-1006-04
1 引 言
水玻璃具有较强的胶结性能,表面张力较小,粘附力强,能够很好地润湿所涂覆的物体。水玻璃砂具有 强度高、成本低、生产工艺简单、生产环境好等许多优点,自20世纪50年代被引入铸造行业以来,在世界各 国得到了广泛采用。绿色清洁生产是21世纪工业生产的发展趋势,国内外的许多专家都认为:水玻璃砂是 最有可能实现清洁铸造生产的型砂。因此,国内外许多专家和学者都在对水玻璃砂的固化机理进行研究。 众所周知,水玻璃是多种聚硅酸盐的复杂溶液,但是各个聚硅酸的聚合度和分子结构及其含量均无法测定, 原因是水玻璃的组成不仅随模数、浓度和电解质含量而改变,而且也随存放时间而不断变化[1]。尽管水玻 璃的出现已有300多年历史,但其组成至今尚未完全清楚。
水玻璃是一种价廉、无毒的无机固沙材料。但是其自身无法胶凝,需要掺加固化剂之后,水玻璃与固化剂发生胶凝固化作用才能与松散的沙粒结成固结层,从而达到固沙的目的。过去所采用的固化剂大部分是在强碱性条件下使水玻璃发生胶凝固结,胶凝时间不能延长,浸透性差,固化反应不完全,固结层强度不高, 易为外力所破坏,而且会发生较强的碱性影响,使生成的SiO2胶体逐渐溶出,抗水性变差,大大降低其耐久性,还会造成环境的二次碱污染[2]。本文对其固化机理进行初步研究,通过反复研究发现:适当浓度的结晶氯化铝水溶液能使水玻璃固化,而且其固化产物强度较高、耐候性和耐水性也比较好。
2 试 验
2. 1 试验原料
水玻璃的模数为3. 15,波美度(20℃)为37. 18,固含量为33. 66%;结晶氯化铝为分析纯;试验所用水均 为蒸馏水。
2. 2 试验过程
2. 2. 1 材料制备
胶凝固化材料的制备步骤如下:①配制不同浓度的氯化铝溶液;②量取水玻璃;③量取氯化铝溶液;④把 水玻璃与氯化铝溶液充分混合,放置2 h;⑤置入60℃的烘箱中烘干;⑥干燥后的样品进行研磨以便进行各种分析试验。
2. 2. 2 分析测试
采用KBr压片,利用傅立叶变换红外光谱仪NicoletMagna 560(美国尼高力公司)对样品进行分析。 显微拉曼光谱仪Renishaw RM1000(英国Renishaw公司)的试验条件为:激光波长514. 5 nm,输出功率 25 mW,激光光斑1~2μm,扫描波数范围200~1300 cm-1,曝光时间120 s,累计次数为3。 核磁共振分析:29Si魔角旋转核磁共振(29SiMASNMR)和27Al魔角旋转核磁共振(27AlMASNMR)采用 固态核磁共振仪BRUKER-AM300(德国Bruker公司)进行测定。29SiNMR使用直径为7 mm,长20 mm带有 塑料帽的氧化锆转子,共振频率为59.62MHz,转子工作频率为4000 r/s,重复延迟时间2 s,采样时间0. 246 s, 脉宽45°,谱宽30 kHz,数据采集7000点,测试温度为室温。27AlNMR使用直径为7 mm,长20 mm带有塑料 帽的氧化锆转子,共振频率为78. 20MHz,转子工作频率为4000 r/s,重复延迟时间0. 1 s,采样时间40ms,脉 宽45°,谱宽70 kHz,数据采集7000点,累加次数为800次,测试温度为室温。