【《无机胶粘剂制备实验分析案例》4200字】

无机胶粘剂制备实验分析案例1.1实验材料及仪器1.1.1实验材料表2-1实验材料及来源实验材料来源模数1.8硅酸钠溶液湖南荷塘化工有限公司模数1.8硅酸钾溶液湖南荷塘化工有限公司陶瓷基板武汉利之达科技有限公司铜基板合肥元晶科技有限公司二氧化硅昌泰化工有限公司氧化铝上海凯茵化工有限公司1.1.2实验仪器磁力搅拌机（1台）、电热鼓风干燥箱（1台）、电子天平（1台）、滴管（若干）、小烧杯（若干）、玻璃棒（1根）、。1.2原材料选择无机胶粘剂一般包含基料、固化剂和填料等多种成分，也会加入一些改性材料从而提高无机胶粘剂在某些特定方面的性能，所以其体系繁杂。例如加入耐火材料氧化铝等可提高胶粘剂的耐高温性能；加入少量憎水物质可提高其耐水性；加入不同填料可改善相应性能，满足使用要求，降低制造成本。本研究在目前一些研究的基础上，逐步探索固化剂和填料的量，胶料的添加比例，选取在满足使用条件下，粘接强度、耐高温性、耐水性都相对较好的配方。在钠、铵、锂、钾这四种离子的硅酸盐中，碳酸钠最为常见，价格也最低，其粘接性、粘接强度等性能都不错。其粘接机理为：硅酸钠与空气中CO2发生反应或在溶液这发生水解反应生成硅酸[18]：Na2O·nSiO2+CO2+2nH2O⇋nSi(OH)4+Na2CO3(1)Na2O·nSiO2+(2n+1)H2O⇋nSi(OH)4+2NaOH(2)nSi(OH)4→[Si(OH)4]n→nSiO2 (3)产生的硅酸缩聚成多聚硅酸，接着脱水缩合生成硅氧键。与键合表面的分子的端羟基缩合产生键合效果，形成粘接层。从粘接机理来看：胶粘剂中存在许多游离OH-和Na+，所以胶粘剂耐水性一般较差。而硅氧键又具有较大脆性，易产生微裂纹，从而削弱其粘接强度。故而解决为解决上述问题，应减少游离的OH-和Na+，将其固定在由硅氧键生成的网状结构内，同时为提高其韧性，可加入少量大分子材料，使其分布于硅氧键间隙中。有研究表面，高活性二氧化硅可以破坏在钠水玻璃中按形成的-SiO4，-Si2O7，-Si3O10，-Si4O12的稳态[19]。钠离子位于聚合度不同的硅酸离子间[20]。固化后，硅酸盐无机胶粘剂仍保留大量亲水基团，并且具有较高的孔隙率，加入少量有机物后，其填充硅氧键结构产生的间隙中，从而提高硅氧键的韧性，能有效减少微裂纹的形成，提高粘接强度。在硅氧键产生的间隙中，加入的有机物也相互连接成膜，从而进一步提高了无机胶粘剂的粘接强度。因为有机物的添加量不多，胶粘剂仍保持其无机性，故仍具有不错的耐高温性能。硅酸钾溶液的粘接机理与硅酸钠溶液基本相同，不同点就在于硅氧键间隙中存在许多游离的K+，这会导致胶接剂的粘接强度下降，耐水性升高。故研究选用混合胶料。1.1.1模数选择 模数即溶液中二氧化硅与碱性氧化物的量的比值，模数的选取对无机胶粘剂的性能有极大影响，直接影响胶粘剂的稳定性和粘接强度。只有在合适的模数下，才能保证胶粘剂的耐水性和粘接强度。可通过加入碱或弱碱盐来调节水玻璃模数，如NaOH溶液或NH4Cl溶液。因为硅酸是为弱酸，其酸性弱于碳酸，SiO32-在溶液中水解，溶液呈弱碱性，其水解反应式为：SiO32-+2H2O⇋2OH-+H2SiO3 (4)加入氯化铵溶液，铵根离子也会发生水解，生成盐酸，会中和掉SiO32-水解生成的OH-，从而促进SiO32-水解反应(4)正向进行，生成凝胶状硅酸，从而促使水玻璃的模数升高：2H2O+SiO32-+2NH4+=H2SiO3(s)+2NH3(g)(5)故硅酸钠溶液模数计算表达式为：(6)由公式(5)、(6)可得改性胶粘剂计算表达式为：M=1.73其中，ωSiO2为水玻璃中二氧化硅质量分数，ωNa2O为水玻璃中氧化纳质量分数，MNH4Cl为加入氯化铵的质量。加入氢氧化钠与直接加入氧化纳效果相同，可降低模数，计算同上，得其模数计算表达式为：M=13.3ω 在本实验中选用模数为1.8的水玻璃，因为没有加酸改性，所制备的胶粘剂具有较强碱性。在碱性介质中，氢氧根离子会极大地激发氧化铝与二氧化硅的水化活性。在二氧化硅、氧化铝和水分子表面的氧会形成-OH，实现羟基化，导致出现Al-OH和Si-OH。最后发生缩聚反应，Al-OH与Si-OH形成体状交联结构，从而导致胶粘剂固化。1.1.2填料及固化剂选择固化剂是胶粘剂重要组成，其直接和胶料或其余成分反应，生成三维网状结构，因此可改善胶粘剂的粘接强度、化学稳定性及耐高温性。多种物质可用作硅酸盐无机胶粘剂的固化剂，其中大多数是1~2价金属氟化物、1~3价金属磷酸盐、2~4价金属氧化物等。添加不同的固化剂可使胶粘剂具有不同的性能[21]。在硅酸钠溶液中nSiO2以硅酸聚合物的形式存在，在硅酸钠与被粘接物质反生脱水反应生成氢键时，会析出二氧化硅胶体，其拥有极大活性，在粘接处以硅氧键键合，从而起到粘接作用[22]。加入填料不仅可使胶粘剂的固化收缩率降低，也可以改善胶粘剂的某一特性从而满足使用需求。在本实验中，选用氧化铝作为填料，作为一种较好的耐火材料，可提高胶粘剂的耐热性，也可提高胶粘剂的紧密性从而降低其固化收缩率。1.3实验过程1.3.1探究二氧化硅与氧化铝成分配比以纯硅酸钠为基础，探究硅酸盐系无机胶固体成分（二氧化硅与氧化铝）配比。固体组分与纯硅酸钠的质量比为2:1。设置十组对照试验，分别改变固体成分中二氧化硅与氧化铝比例（如表2-2），制备硅酸钠无机胶粘剂，用其分别粘接陶瓷片和金属铜片，在常温下固化24小时后，在80℃下加热2小时，在150℃下加热2小时后测量其粘接强度，为测量无机胶粘剂的耐高温性，将其在300℃下加热0.5小时，再测量其粘接强度。表2-2二氧化硅与氧化铝比例设定配方编号二氧化硅含量（%）氧化铝含量（%）101002595310904158552080630707406085050975251010001.3.2硅酸钠和硅酸钾摩尔比在上述实验确定了二氧化硅与氧化铝比例的基础上，探究硅酸钠和硅酸钾的摩尔比，使无机胶粘剂同时具有较好的耐水性和较高的粘接强度。设置六组对照实验，改变钠钾比（如表2-3），制备混合胶料无机胶粘剂，用其分别粘接陶瓷片和金属铜片，在常温下固化24小时后，在80℃下加热2小时，在150℃下加热2小时后测量其粘接强度，通过双85测试测量其耐水性。表2-3钠钾比设定配方Na:K11:023:132:141:151:261:01.4实验结果及分析1.4.1二氧化硅与氧化铝成分配比用不同二氧化硅比例的无机胶粘剂分别粘接陶瓷片与金属铜片，在固化后测得数据如表2-4及2-5所示，将表中数据整理为图2-1。表2-4二氧化硅含量与粘接强度的关系（陶瓷）SiO2含量样品粘接力测试值(N)粘接力均值(N)粘接强度均值(MPa)0%176.40165.20167.50141.10140.40158.129.885%161.60207.50160.60181.90176.90177.7011.1110%203.20193.10199.45240.40187.20204.6711.7915%125.30101.80124.05117.75107.40115.267.2020%99.5588.3095.3090.7078.2590.425.6530%88.4573.9583.4098.0071.9583.155.2040%89.5067.6569.2070.0076.5074.574.6650%68.5071.6070.3050.2071.3066.784.1775%41.6046.9085.0063.1069.8061.283.83100%63.7536.3533.7571.9586.8058.523.66表2-5二氧化硅含量与粘接强度的关系（金属铜）SiO2含量样品粘接力测试值(N)粘接力均值(N)粘接强度均值(MPa)0%138.40121.50121.90157.50140.00136.268.525%156.20163.80176.30145.30170.00161.3210.1510%205.70193.80174.00213.10190.00195.3211.2115%121.30108.10111.30131.50136.50121.147.6320%79.3089.6060.5090.3086.5081.245.0830%63.1569.8080.6085.3076.5075.074.6940%56.3060.2075.3076.3045.3061.683.9250%49.6050.3048.6060.5059.3053.663.3575%31.6045.3065.3037.6048.9045.941.87100%26.5031.6045.4030.2036.2033.981.12图2-1二氧化硅含量与粘接强度的关系又图表可知，随着二氧化硅的比例增加，无机胶粘剂的粘接强度先增加后减少，其中在比例为10%时，其粘接强度最大。各配方在玻璃片上固化后的实物图及相关分析如下：图2-20%SiO2图2-310%SiO2如图2-2及2-3可知，当二氧化硅含量相对较少时，无机胶粘剂较为平整且与玻璃片粘接牢固，涂覆过程简单，已得到平整表面。图2-430%SiO2 图2-550%SiO2当二氧化硅含量继续增加，如图2-4及2-5可知，无机胶粘剂固化时的收缩较大，其与玻璃片发生脱落，断裂面发生在玻璃内部，无机胶的粘接强度及结构强度很高。图2-670%SiO2二氧化硅含量继续增加，当达到70%左右时，无机胶粘剂固化后发生轻微翘曲和断裂。二氧化硅含量继续增加，由于无机胶粘剂固化时收缩率较大，发生严重的翘曲脱落，在加入纯二氧化硅后，无机胶粘剂甚至从中间断裂。图2-790%SiO2图2-8100%SiO2固化后，再将用无机胶粘剂粘接的陶瓷和金属铜片放入电热鼓风干燥箱中，在300℃下加热0.5小时，测量其耐高温性。数据如表2-6所示，整理为图2-9，2-10及2-11。表2-6不同二氧化硅含量的胶粘剂300℃热处理后粘接强度（陶瓷）SiO2含量样品粘接力测试值(N)粘接力均值(N)粘接强度均值(MPa)0%148.75134.30158.100%148.75134.30158.105%166.40141.10149.105%166.40141.10149.1010%147.40181.30144.0010%147.40181.30144.0015%100.10126.1053.8015%100.10126.1053.8020%46.5058.5573.2020%46.5058.5573.2030%43.6045.8024.6030%43.6045.8024.6040%41.7517.8549.7534.0035.6035.791.2450%33.6015.3028.6045.2011.3027.001.6975%13.6015.4023.909.8013.6015.260.95100%0.000.000.000.000.000.000.00表2-7不同二氧化硅含量的胶粘剂300℃热处理后粘接强度（金属铜）SiO2含量样品粘接力测试值(N)粘接力均值(N)粘接强度均值(MPa)0%124.60119.50119.000%124.60119.50119.005%125.60119.20130.005%125.60119.20130.0010%166.10141.70130.7510%166.10141.70130.7515%80.8574.6078.7015%80.8574.6078.7020%43.2056.3036.8020%43.2056.3036.8030%35.6041.3037.9030%35.6041.3037.9040%27.6031.5031.2040%27.6031.5031.2050%15.3023.6034.6050%15.3023.6034.6075%5.709.004.2075%5.709.004.20100%0.000.000.00100%0.000.000.00图2-9300℃加热0.5小时候无机胶粘剂的粘接强度图2-10无机胶粘剂300℃高温处理前后粘接强度（陶瓷）图2-11无机胶粘剂300℃高温处理前后粘接强度（金属）随着二氧化硅的量增加，无机胶粘剂的耐高温性不断下降，但是在10%时仍具有较高的粘接强度。随着二氧化硅的增加，胶粘剂固化后的收缩率增加，对粘接材料的要求有所提高，且翘曲的程度增大，胶粘过程不易控制。且二氧化硅含量越多，无机胶粘剂的耐高温性越来越差，综合考虑粘接强度和耐高温性，实验选择二氧化硅占比10%，氧化铝占比90%的无机胶粘剂较适宜。1.4.2探究硅酸钠和硅酸钾摩尔比在固体组分为SiO2:Al2O3=1:9的基础上，探究硅酸钠和硅酸钾的比例对无机胶粘剂的粘接强度和耐水性的影响。分别制备了不同Na/K的无机胶，进行粘接强度测试，固化温度曲线为常温24h，80℃加热2h，150℃加热2h，被粘接材料选用AlN陶瓷，测试结果如表2-8所示。表2-8不同Na/K的无机胶固化后粘接强度Na:K样品粘接力测试值(N)粘接力均值(N)粘接强度均值(MPa)1:0203.20193.10199.45240.40187.20204.6711.793:1163.00185.25176.30185.30173.60176.6911.042:1131.60156.25169.20123.65156.30147.609.231:196.3085.2065.7559.3076.9076.694.791:231.6045.2046.3021.5045.6038.441.400:113.509.6015.800.000.007.780.49由表2-6可知，随着钾元素摩尔量增加，无机胶粘剂的粘接强度不断下降，在全为硅酸钾的样品中，固化后出现了直接断裂的样品。随后重新制样，样品形式及处理同上，用双85测试评价不同Na/K的无机胶粘剂的耐水性，经过96h双85处理后，立即测量粘接强度，结果如表2-9所