西安改性水玻璃专家讲解：超细粉末材料改性水玻璃粘结剂的研究

  在环保标准日益严格的今天，绿色产品的开发已经成为热门，作为传统产业的铸造业，也把更多的眼光投向了自身环保型粘结材料——水玻璃粘结剂，但是水玻璃砂的几个突出的问题（例如溃散性差、容易吸湿等）成为了制约水玻璃粘结剂发展的桎梏。可喜的是，在众多研究者的共同努力下，影响水玻璃性能的许多原因已被揭示。通过控制水玻璃的加入量，使之低于4％，可以很好地解决水玻璃砂溃散性的问题；而加入一些抗湿的离子，则有望解决水玻璃砂易吸湿的问题。

  基于上述原则，作者进行了用接近于纳米尺度的超细粉末材料来改善水玻璃的高温溃散性的尝试。通常，纳米材料是指材料两相显微结构中至少有一相的一维尺度达到纳米级别的材料，纳米粒子相是由数目很少的原子或分子组成的聚集体，粒子直径小于100nm。由于纳米粒子在磁、光、化学、催化等许多方面呈现出各种各样的优异特性，世界各国先后对这种材料给予了极大的关注，并迅速展开此方面的研究与开发[5]。纳米材料自身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面和界面效应及宏观量子隧道效应，物质的很多性能将发生质变，从而呈现出既不同于宏观物体，又不同于单个独立原子的奇异现象，声、电、光、磁、热、力学等物理性能有很大变化。

  笔者试图借助纳米超细材料的小尺寸效应来改进水玻璃粘结剂的性能。小尺寸效应是指纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等都较普通粒子发生了很大变化。纳米粒子的小尺寸效应主要表现在两个方面：一是随着粒径的减小，纳米粒子的表面能特别是表面结合能迅速增大，因而引起熔点降低；二是由于表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性，因而随着纳米粒子中表面原子数的增加而出现活性表面。

  1.试样的制备及测试方法

  原砂是岳阳兴塔牌擦洗砂（70/100筛号），做成直径为30mm、高为30mm的圆柱体试样。采用经特殊处理的粉末材料（含有一定量的超细纳米级颗粒，但是达不到全部是纳米级）对普通水玻璃进行溶入改性。普通水玻璃采用本实验室自制的模数为2.2~2.3、浓度为 ~50 OBe的纯净水玻璃。采用有机酯作为水玻璃砂的固化剂，有机酯的加入量为原砂的0.3%、水玻璃的加入量是原砂的3%。制样后存放规定时间后，用杠杆式强度试验仪测试常温抗拉强度、残留强度。试样存放24h后测定常温抗拉强度；将试样在800℃下焙烧1h，随炉冷却至室温后，测试其残留强度。

  适应于水玻璃改性的超细粉末材料是有特殊要求的，这些物质不仅要能溶解在碱性的水玻璃溶液中或者借助分散剂可以悬浮在水玻璃溶液内，而且还要达到水玻璃改性的目的。事实上溶解在水玻璃溶液中的物质非常少，大多是借助分散剂扩散在溶液中的。为了满足上述条件，我们初选了三种粉末材料经超细处理，作为水玻璃的改性剂。为了提高粉末材料在水玻璃粘结剂中的溶解性及分散性，在加入粉末材料的同时加入了一定量的分散剂，做了多组试验，以对比测试由不同改性水玻璃所获得的常温强度、高温残留强度、混匀性等。

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