水玻璃的老化與應(yīng)用

水玻璃的老化與應(yīng)用

玻璃砂的分散性差和回收性困難是鑄造行業(yè)的“困難”問題。其根源在于，水玻璃發(fā)泡劑的粘接強度低，添加量大，“老化”進一步降低了水玻璃的粘接強度，使生產(chǎn)問題更加嚴(yán)重。因此,分析老化的機理,阻緩或消除水玻璃的老化,充分發(fā)揮水玻璃的粘結(jié)效率,是人們長期以來追求的目標(biāo)。1玻璃粘合劑的老化1.1水玻璃老化機理剛制成的模數(shù)大于2的水玻璃在15min后,發(fā)現(xiàn)粘度不斷下降,表面張力持續(xù)增高,凝膠化速度加快,并且粘結(jié)強度也不斷下降。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)水玻璃粘結(jié)劑內(nèi)部已不斷有膠粒生成。水玻璃中硅酸自發(fā)進行聚合反應(yīng)并緩慢釋放能量,粘結(jié)強度下降30%～35%。文獻認(rèn)為,水玻璃是許多聚硅酸氫鈉的混合溶液,它們處于動態(tài)平衡中,如圖1所示。水玻璃老化的機理是聚硅酸的聚合度發(fā)生歧化,縮聚反應(yīng)和解聚反應(yīng)同時并舉。環(huán)四硅酸和立方八硅酸的含量減少。而多聚硅酸和單正硅酸的含量相應(yīng)地增高。聚硅酸分子鏈外僅包圍著很薄的溶劑化水膜,并不能完全阻止鏈間碰撞而發(fā)生縮聚反應(yīng),在堿性催化下,發(fā)生縮聚反應(yīng):在縮聚過程中,多余的Na+離子被排斥出來,進攻另一聚硅酸的分子鏈,促使后者解聚。因此縮聚與解聚同時進行著,聚硅酸鹽的相對分子質(zhì)量發(fā)生了歧化,老化過程進行到最終成為聚硅酸膠粒和正硅酸鈉的平衡體系,這就是水玻璃的老化現(xiàn)象。硅酸聚合時,是先聚合成二硅酸、三硅酸和四硅酸等低聚物,再環(huán)化成環(huán)四硅酸等環(huán)狀低聚物,然后縮聚成立方八硅酸,并借立方八硅酸分子的縮聚反應(yīng)而生成膠粒。1.2老化現(xiàn)象對水玻璃砂性能的影響1.2.1粘結(jié)強度下降水玻璃老化使水玻璃砂混合料可使用時間縮短20%～30%,粘結(jié)強度下降30%～40%,迫使型砂配比中水玻璃加入量增加,導(dǎo)致型砂的潰散性和舊砂回用性惡化。所以鑄造生產(chǎn)中要盡可能使用新鮮水玻璃,對已經(jīng)老化的水玻璃應(yīng)通過改性后再使用。1.2.2低模數(shù)水玻璃法高溫下水玻璃中Na20和砂粒表面的Si02會生成硅酸鈉,牢牢地把砂粒和砂粒固結(jié)在一起,所以潰散性差。提高模數(shù),Na20含量降低,就可改善潰散性。但高模數(shù)水玻璃的老化比較嚴(yán)重,強度會更低。因此,高模數(shù)水玻璃的應(yīng)用受到“老化”的制約。2水玻璃粘合劑的改良方法和應(yīng)用2.1不同的物理改性水玻璃的老化過程是水玻璃內(nèi)部能量緩慢釋放的過程。那么消除水玻璃的老化就必須向老化的水玻璃體系中輸入能量。表1的資料顯示幾種不同的物理改性方法消除老化的情況。對于模數(shù)為3.5的水玻璃,物理改性的作用不大。2.1.1超聲改性對水玻璃砂干壓強度的影響超聲改性對于模數(shù)m<3的水玻璃砂效果較顯著,將上述老化3個月的水玻璃,進行超聲改性,改性處理時間分別為5min、10min和15min,則干壓強度分別提高到平均值3.89MPa、3.97MPa和4.03MPa;強度恢復(fù)率分別為31.8%、37.2%和37.5%。超聲處理時間為60min為最佳,抗壓強度提高最為明顯。見圖2。超聲改性使得水玻璃砂初始強度及干強度提高有兩方面原因:一是超聲處理可使水玻璃縮聚的聚硅酸膠粒解聚,消除了水玻璃的老化現(xiàn)象;二是超聲處理可以活化水玻璃砂粒的接觸表面,降低水玻璃粘結(jié)劑的表面張力,因而使型砂混合均勻性增加。2.1.2水玻璃粘結(jié)劑的選擇磁場處理最適用于中模數(shù)水玻璃(m=2.35～2.6)。處理方法可用永磁磁場,也可用電磁場在輸送管道上進行處理,必要時經(jīng)過多次循環(huán)。由圖3可以看出A1、B2、CI為磁場處理最佳工藝參數(shù),即對A1(模數(shù)m=2.7)的水玻璃應(yīng)選中速B2(140cm/s)、低磁感應(yīng)強度C1(0.3T)為最佳。對A2(模數(shù)m=2.5)的水玻璃應(yīng)選中速B2(140cm/s)、高磁感應(yīng)強度C3(0.75T)為最佳。而對A3(模數(shù)m=2.3)的水玻璃應(yīng)選低速B3(70cm/s)、高磁感應(yīng)強度C3(0.75T)為最佳。磁化改性對高模數(shù)水玻璃效果顯著,對低模數(shù)水玻璃欠佳。水玻璃粘結(jié)劑磁化后應(yīng)該盡快使用,放置一段時間后會有強度衰退現(xiàn)象。水玻璃砂強度與存放時間的關(guān)系,如圖4所示。磁化處理后的水玻璃處于高能量激活狀態(tài),為不穩(wěn)定狀態(tài),必然向低能態(tài)轉(zhuǎn)變。磁化過程是外界提供能量將高分子鏈狀硅酸分子打散的均勻化過程。衰退過程正好與此相反。試驗結(jié)果表明,水玻璃磁化改性效果在24h后基本消失。2.2聚丙烯酰胺水玻璃水玻璃的化學(xué)改性是往水玻璃中添加一種或數(shù)種其他物質(zhì),藉以阻緩水玻璃的老化,減少因老化而損失的粘結(jié)強度。改性劑與助粘結(jié)劑的主要區(qū)別在于:作為改性劑的添加劑是微量的。如聚丙烯酰胺,只要添加0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),則助粘結(jié)劑的添加量可以是水玻璃質(zhì)量分?jǐn)?shù)的幾倍或十幾倍。它們的區(qū)別在于添加物的分子結(jié)構(gòu)是否與硅酸分子鏈相匹配。適宜用作水玻璃化學(xué)改性劑的化合物,必須滿足以下四項要求:具有與硅羥基形成氫鍵的能力;具有一定的表面活性;在可溶范圍內(nèi),活性隨聚合度而增高;分子折疊后可將每平方納米內(nèi)8～10個硅基覆蓋住。改性劑加入水玻璃中,使硬化后的水玻璃膠粒細(xì)化或直接起增強作用,并有利于改善潰散性。因此改性劑在水玻璃粘結(jié)劑中能起以下作用。2.2.1分子改性劑加固機理即在水玻璃固化時,限制硅酸凝膠膠粒的長大?？赏ㄟ^在凝膠膠粒表面形成高分子保護層來達到。高分子改性劑靠氫鍵或靜電引力吸附在膠粒的表面,改變其表面位能和溶劑化能力,使水玻璃固化時獲得細(xì)小的凝膠膠粒,從而提高水玻璃的粘結(jié)強度。當(dāng)然,這種起屏蔽作用的高分子,最好其本身也能被CO2氣體硬化或引起膠凝。但改性劑無法直接用醋酸或有機酯,因為加入它們會使水玻璃膠凝。2.2.2極性官能團密度和官能團活性的變化即在水玻璃分子結(jié)構(gòu)中,引入改性劑以增加分子結(jié)構(gòu)中的極性官能團密度和極性官能團活性。當(dāng)改性水玻璃分子結(jié)構(gòu)中含有高密度和高活性的極性官能團時,吹CO2之后,能形成更多的粘結(jié)橋,獲得高的粘結(jié)強度。2.2.3改性其他助劑為使改性水玻璃在高溫時有適當(dāng)?shù)母邷貜姸群屠鋮s后有低的殘留強度,要求改性劑能在高溫時與水玻璃中的氧化鈉等形成較高熔點(或形成冷卻時收縮值大、易產(chǎn)生裂紋)的化合物。同時,要求具有這種作用的改性劑(或改性助劑),在常溫時也能促進水玻璃膠凝,有利于提高或至少不會削弱常溫粘結(jié)強度。表2為丙烯酸改性的改性水玻璃砂和普通水玻璃粘結(jié)劑砂的強度對比。對C