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硅灰石硅溶胶浆体的固化机理研究

摘要:研究了硅灰石硅溶胶浆体的固化过程及机理,结果表明:浆体的初期固化是由于硅灰石胶粒中Ca2+的溶出,导致硅溶胶的凝胶化;后期固化则存在Ca2+与溶胶作用形成类似水化硅酸钙产物的过程,硅溶胶中的Ca2+离子促进硅灰石胶粒中Ca2+的溶出,从而促进水化硅酸钙的形成.

硅灰石具有优良的热稳定性和低介电损耗特性.日本太平洋水泥公司中央研究所的研究发现,将超细硅灰石粉与硅溶胶以适当比例混合所得浆体可逐渐固化,干燥后试体具有良好的力学性能和热稳定性,因此有可能直接用硅灰石粉和硅溶胶制备硅灰石板等隔热防火材料.我国硅灰石储量丰富,研究开发硅灰石制品无疑具有重要意义。

本研究旨在探讨并阐明硅灰石硅溶胶桨体的固化机理,以期为用硅灰石和硅溶胶制备硅灰石制品提供参考.

1实  验

1.1实验用材料

实验中所用的硅溶胶系由日本触媒化成株式会社生产,商品牌号为SI30,其化学组成和基本特性见表1.两种硅灰石粉(略作WL和WM)系日本KIK公司的产品(原产地中国),硅灰石浆体(略作WS)系由硅灰石粉用氧化铝陶瓷磨加工得到的.表2是硅灰石粉的化学组成及粉末与浆体粒子的粒径, 表l SBO硅溶胶的化学组成与基本特性    表2硅灰石粉末和浆体的化学组成与粒径

X射线衍射分析结果表明,各硅灰石试样中均含有少量石英和方解石,WS中含有较多的a-Al203,是由浆体制备时氧化铝球磨损混入的,此外,WS的衍射谱中附近的硅灰石衍射峰的消失以及其余衍射峰的严重宽化弥散峰的出现,表明浆体中部分硅灰石已呈胶体状态,同样,WM样中也有少部分磋灰石呈胶体状态.

1.2硅灰石硅溶胶浆体固化时间的测定

将硅灰石粉和浆体与硅溶胶按不同比例混合,观察固化情况,测定固化时间,固化时间系指硅灰石硅溶胶浆体自混合到完全失去流动性(将容器倾斜,液面不能自动恢复到水平状态)所需时间。

2结果与讨论

2.1硅灰石硅溶胶浆体的初期固化

不同细度硅灰石粉和浆体与SI30混合后的固化情况见表3.从浆体的固化现象看,其

初期的固化机理为硅溶胶SI30的凝胶化,而引起溶胶凝胶化的电解质离子应是来自硅灰

石的Ca2+离子.在通常情况下,Ca2+离子对硅溶胶常起沉聚剂或絮凝剂的作用,即引起硅

溶胶沉聚或絮凝.在本实验中,由于硅灰石在纯水中的溶解度很小(CSi03浓度积为2.5×10溶液中Ca2+离子浓度很低,不足以引起硅溶胶沉聚。WL的颗粒尺寸较大,溶解速度慢,溶液中Ca2+离子浓度最低,所以对硅溶胶几乎无作用. WM的颗粒尺寸较WL小得多,溶解速度相对较快,溶液中Ca2+浓度的逐渐增加导致硅溶胶胶粒的;电位逐渐降低,胶粒间互相靠近,搭接成网状结构而形成凝胶. WS的颗粒尺寸最小,其中Ca2+离子呈饱和状态,浓度相对较高,因此短时间就使硅溶胶凝胶化,且硅灰石SI30比越大,凝胶化速度越快.

2.2硅凝胶与硅灰石的反应

硅灰石硅溶胶浆体的初期固化机理是硅灰石溶出的Ca2+离子导致硅溶胶凝胶化.凝胶化后凝胶胶粒与硅灰石颗粒间存在何种反应?为分析阐明这一问题,用XRD和29Si_NMR研究了经不同时间和温度养护的硅灰石硅溶胶固化浆体组成与结构变化,

由WM和WS加SI30制得的浆体在不同温度、不同时间养护的XRD谱.图2中同时给出了WM的XRD谱以作比较.由WM制得的试样,无论是养护时间的延长还是养护温度的提高,试样的相组成均无明显的变化.而由WS制得的试样,随着养护时间的延长或养护温度的提高,尽管XRD谱中属于硅灰石晶体的衍射峰的强度无变化。

由硅灰石粉WM和浆体WS与不添加NaOH的纯水中混合后所得滤液的电导率大于纯水的电导率,且由浆俸Ws所得滤液的电导率大于由粉末WM所得滤液的电导率.这是由于浆体WS和粉末WM与水混合后有少量Ca2+离子溶入水中,提高了溶液的电导率.而浆体WS的Ca2+离子溶出速度大予粉末WM的溶出速度,即滤液中Ca2+离子相对较高,故WS滤液的电导率也高于WM滤液的电导率.

然而,当硅灰石粉WM和浆体WS加入NaOH溶液时,却相反地使溶液的电导率降低,而且浆体Ws所得滤液的电导率小于由粉末WM所得的滤液.产生这一现象的原因,可以认为硅灰石粉或浆体加入NaOH溶液后,系统中存在下式所示过程:

3结    论

a.硅灰石硅溶胶浆体的固化过程,初期由于硅灰石胶粒中Ca2+的溶出,导致硅溶胶的凝胶化,后期存在Ca2+与溶胶作用形成类似水化硅酸钙产物的过程.

b.硅溶胶中的Na+离子具有促进硅灰石胶粒中Ca2+的溶出作用,从而可促进水化硅酸钙的形成.

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