硅酸盐涂料固化基础知识学习分享

在生产制造时，对于一定量石英砂来说，通过调节碱金属碳酸盐的用量或碱的用量可以很方便地调节硅酸盐的模数，碱金属碳酸盐或碱的用量越少，产物硅酸盐的模数就越高；反之碱金属碳酸盐或碱的用量越大，产物硅酸盐的模数就越低，如图2所示。

结构

水溶性碱金属硅酸盐中含有多种不同结构。通过不同物理化学方法分析发现，这些不同结构的基本结构单元是硅氧四面体，即单硅酸根。

单硅酸根可通过不同的组合形成二聚体、三聚体以及支链、环状结构，甚至三维网络结构，如图3所示。

碱金属硅酸盐的这些结构中硅有5种，如图3、4所示可以分别用Q0,Q1,Q2,Q3和Q4“表示，数字0，1，2，3，4表示硅原子上连接的Si-O-Si键的数量，从Q到Q活性官能度减少，反应活性降低。Q°表示单分子硅酸根，无Si-O-Si键，为四官能度，反应活性最高；Q4“表示硅原子上有四个Si-O-Si键，为零活性官能度，不再发生聚合反应 (但可与碱发生离解反应) ，聚合反应活性最低。它们占比的多少说明不同聚合度的硅酸根平均分子量或聚合度的大小，Q占比越多，说明硅酸根平均分子量越小，聚合度越低;Q“占比越多，说明硅酸根平均分子量越高聚合度越高。

通过改变模数，可以改变5种结构硅原子的占比，从而影响硅酸盐的化学性质和反应活性。（NMR：核磁共振）

水玻璃

作为无机涂料的粘结剂有钠、钾、锂的碱金属硅酸盐及他们的组合。

水玻璃在固化过程中除生成起粘结作用的硅氧硅空间网络骨架结构外，还会同空气中CO2反应最终生成碱金属碳酸盐，碳酸盐的水溶性以及是否容易形成结晶水合物对涂层的理化性能和抗盐析性起决定性作用。

碳酸钠能以不同的水合程度存在，无水碳酸钠具有很强的吸湿性，可吸收水份在固化的涂膜表面以十水碳酸钠结晶水合物的形式形成白霜(也叫风化)，白霜的体积会比无水碳酸钠大得多。

无水碳酸钾有一定吸湿性，可吸收水分形成倍半水合碳酸钾，更不容易产生持久的白霜。

PH值

碱金属硅酸盐溶液的稳定性在很大程度上由pH值决定当pH降低到11以下，聚合速度显著增加，稳定性降低，降到10以下时可溶性硅酸根阴离子会聚合形成二氧化硅凝胶而固化。因此由硅酸钾生产的无机涂料要保持长期稳定性pH通常应保持在11.0以上。但过高的pH也会影响无机涂料中乳液、有机助剂的稳定性，并且无机涂膜的水溶性更高漆膜耐久性更差，同时对施工人员的潜在危害也更大而需要特殊标签来警示。综合考虑，无机硅酸盐涂料较理想的pH范围是11.0-11.5。

稳定性与稳定化

碱金属硅酸盐自身可发生图7所示的缩合离解可逆反应的同时，还极容易同多价金属离子Mg2+，Ca2+，Cu2+，Zn2+，Fe3+， A13+等发生几乎是不可逆的离子反应，生成不溶性的硅酸盐而增稠，甚至凝胶固化，如图8、9所示。多价金属离子主要由填料、水、颜料及其它原材料带入的。因此，为了提高无机涂料的稳定性，我们要对无机涂料中所有原材料的多价金属离子严格控制。

固化机理

碱金属硅酸盐的固化是化学固化，主要涉及的基础化学反应有硅酸盐自身的缩聚离解反应 (见图7) 和 硅酸盐与多价金属离子的离子反应 (见图8) 。这些反应也是影响无机硅酸盐涂料稳定性的基础化学反应。

无机涂料有极好的渗透性，可渗入无机矿物基材几毫米，并同无机基材中普遍存在的氢氧化钙和石英砂发生如图11的化学反应，同基材以化学键牢固地粘结固化。这种涂层与基材以化学键结合并融为一体，以致于我们通常不把它们看作成膜型涂料，它们在本质上已成为了基材的涂层。

涂层内在无外加固化剂时，硅酸盐同多价金属离子的反应较少，主要发生的反应是在空气中二氧化碳CO2（广义的酸）作用下的缩合聚合反应，如图12所示，生成更高模数、分子量更大的多聚硅酸盐，同时由于水的挥发，硅酸盐浓度增加，也加速了缩合聚合反应的发生。最终形成化学组成为二氧化硅的-Si-O-Si-网状骨架凝胶结构，在水完全挥发后则形成高透气性的多孔性、哑光无机涂膜，如图13所示。

因此这种涂料特别适用于历史古建筑 (通常是潮湿的) 和未完全固化的混凝土表面。在潮湿的历史古建筑中，水蒸气的通过可使潮湿的古建筑保持干燥。对于未完全固化的混凝土表面，二氧化碳仍可以透过无机涂层而不影响继续碳化，从而使混凝土硬化。而成膜型的纯乳液涂料虽然也有一定的透气性，但仍然会阻碍水蒸气的通过，特别是低PVC、厚膜型涂层 (如弹性涂料) ，很容易发生漆膜鼓泡、起皮脱落现象，尤其是在基材潮湿、防水不佳、热带多雨地区等情况下更容易发生。

硅酸盐在固化后硅酸根会通过化学反应转变为不溶性多价金属离子的硅酸盐和二氧化硅，帮助无机涂料产生粘结和形成涂膜，提供无机涂料需要的理化性能；碱金属离子最终形成可溶性碱金属碳酸盐 (见图11、12) ，降低涂料的耐水性、耐洗刷性、耐候性等理化性能，同时容易被水从漆膜中带出，迁移到涂膜表面析出产生白霜，引起涂料发花、褪色等问题，是无机涂料诸多缺陷的根源。

无机粘结剂的高渗透性和涂膜的多孔性为无机涂料提供了极好的附着力，这会使无机粘结剂相对更多地富聚在涂膜的底层，造成面层粘结剂的不足而易出现掉粉现象，特别是仅使用粘结力较弱的硅溶胶作无机粘结剂时更易发生。因此，在无机涂料中硅溶胶最好同硅酸钾一起使用，来减少掉粉现象的发生。

无机涂料也可以外加固化剂来加快涂料的固化速度如第一代两组份纯无机硅酸盐涂料。这些固化剂主要有无机有机酸、酸式盐（碳酸氢钠、磷酸二氢钠等）、金属盐（氯化钙、氯化铵、氟硅酸钠、磷酸铝 ）、金属氧化物 （氧化锌、氧化钙、氧化镁)）和金属粉（锌粉、铝粉）等。返回搜狐，查看更多