材料科学基础：气硬性材料教学课件.pptVIP

*************************************第五部分：水玻璃1工程应用粘结剂、防火涂料和铸造用粘结剂性能指标粘度、模数和密度硬化机理脱水缩合和碳化作用基本概念定义、原料和生产工艺水玻璃是一种古老而现代的气硬性材料，也称为硅酸盐胶凝材料，在建筑、冶金、化工等多个领域有着广泛应用。本部分将详细介绍水玻璃的基本概念、原料组成、生产工艺、硬化机理和应用领域等内容，帮助大家全面了解这种具有特殊性能的气硬性材料。水玻璃的定义硅酸钠硅酸钠水玻璃是由二氧化硅(SiO?)和氧化钠(Na?O)组成的无机化合物，化学通式为Na?O·nSiO?，其中n表示模数，通常在1.5-3.5之间。硅酸钠水玻璃在室温下呈透明或半透明的浊液或固体状态，水溶液呈碱性，pH值通常在11-13之间。硅酸钠水玻璃是最常见的水玻璃品种，价格相对较低，应用范围广泛。其结构可视为由SiO?四面体通过氧桥连接形成的网络结构，Na?离子分布在网络孔隙中。模数不同的硅酸钠水玻璃，其网络结构的复杂程度和物理化学性质也存在明显差异。硅酸钾硅酸钾水玻璃是由二氧化硅(SiO?)和氧化钾(K?O)组成的无机化合物，化学通式为K?O·nSiO?，其中n通常在2.5-4.0之间。硅酸钾水玻璃的外观和基本性质与硅酸钠水玻璃相似，但具有一些独特的特点。与硅酸钠水玻璃相比，硅酸钾水玻璃具有更好的耐水性和耐候性，干燥后形成的膜更为透明和致密。此外，由于钾离子的特性，硅酸钾水玻璃对某些基材的渗透性和附着力更好。这些特点使其在高级防火涂料、文物保护和特种粘结剂等领域有独特应用。硅酸钾水玻璃的价格通常高于硅酸钠水玻璃。水玻璃的原料石英砂石英砂是制备水玻璃的主要硅源，其主要成分为二氧化硅(SiO?)。制备优质水玻璃需要使用纯度较高的石英砂，SiO?含量通常应在98%以上，铁、铝等杂质含量应较低。石英砂的粒度也会影响反应效率，通常要求细度适中，以保证与碱性组分充分反应。碳酸钠碳酸钠(Na?CO?)，也称纯碱，是制备硅酸钠水玻璃的碱源。工业级纯碱的Na?CO?含量通常在98%以上。在水玻璃生产过程中，碳酸钠与二氧化硅在高温下反应生成硅酸钠。碳酸钠的纯度和用量直接影响水玻璃的模数和碱度，进而影响其性能。碳酸钾碳酸钾(K?CO?)是制备硅酸钾水玻璃的碱源。工业级碳酸钾的K?CO?含量通常在98%以上。碳酸钾价格高于碳酸钠，这也是硅酸钾水玻璃成本高于硅酸钠水玻璃的主要原因。在某些特殊应用中，可以使用碳酸钠和碳酸钾的混合物作为碱源，制备混合型水玻璃。水玻璃的生产过程熔融法熔融法是传统的水玻璃生产方法，也是目前最常用的工业化生产工艺。该方法的基本原理是将石英砂和碳酸钠(或碳酸钾)按一定比例混合，在高温熔窑中熔融反应，生成硅酸盐熔体，然后冷却成固体水玻璃，最后溶解在水中得到水玻璃溶液。熔融法的主要化学反应为：nSiO?+Na?CO?→Na?O·nSiO?+CO?↑。熔融温度通常在1300-1400℃之间，熔融时间约为4-6小时。熔融完成后，熔体被浇铸成薄片或颗粒状，便于后续溶解。溶解过程通常在高压釜中进行，温度约为140-160℃，压力为0.4-0.6MPa，以加速溶解过程。水热法水热法是一种直接将石英砂与氢氧化钠(或氢氧化钾)溶液在高温高压条件下反应制备水玻璃的方法。该方法不需要经过高温熔融，能耗较低，但对设备的耐压性要求较高。水热法的主要化学反应为：nSiO?+2NaOH→Na?O·nSiO?+H?O。反应通常在高压釜中进行，温度为180-220℃，压力为1.0-2.0MPa，反应时间为4-8小时。水热法生产的水玻璃溶液通常需要经过过滤、调节模数等工序处理后才能使用。与熔融法相比，水热法更适合生产高模数水玻璃，但生产效率较低，主要用于生产特种水玻璃。水玻璃的化学反应硅酸盐形成水玻璃生产过程中的主要化学反应是硅酸盐的形成。在熔融法中，二氧化硅与碳酸钠在高温下反应：nSiO?+Na?CO?→Na?O·nSiO?+CO?↑。这个反应是一个复杂的过程，涉及碳酸钠的分解和硅氧网络的重组。在水热法中，二氧化硅直接与氢氧化钠反应：nSiO?+2NaOH→Na?O·nSiO?+H?O。这个反应中，硅氧四面体逐渐溶解并重组，形成硅酸盐网络结构。反应速率受温度、压力、原料细度和碱浓度等因素影响。水解反应水玻璃在水中会发生部分水解，形成硅酸和氢氧化钠：Na?O·nSiO?+H?O?2NaOH+nSiO?。这个平衡反应使水玻璃溶液呈强碱性。水解程度受模数、浓度和温度影响，模数越高，水解越不明显。正是由于这种水解反