基于給排水工程的水玻璃改性研究

趙毅

摘 要：粘結(jié)劑是冷固結(jié)工藝生產(chǎn)球團礦中必不可少的一種原料，它決定著鐵礦球團的生產(chǎn)質(zhì)量。普通水玻璃粘結(jié)性強度不高，作為粘結(jié)劑生產(chǎn)的鐵礦球團的抗壓強度較低，不能滿足鋼鐵冶煉的要求。基于此對水玻璃進行改性研究，實驗結(jié)果表明當復合改性劑雙組份質(zhì)量比為11，加入量為2%時，改性粘結(jié)劑粘結(jié)強度較高，利用其生產(chǎn)的球團抗壓強度可達2.75 kN/個，滿足高爐冶煉的需要。

關(guān) 鍵 詞：給排水工程；水玻璃； 抗壓強度

中圖分類號：TQ 114 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）07-1471-02

Modification of Sodium Silicate

for Water Supply and Drainage Engineering

ZHAO Yi

（Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163000，China）

Abstract： Pellet binder is the key factor to affect the production process of cold-bonded pellet. Sodium silicate binder possesses non-toxic， environmental protection and other advantages， but it can not be directly used for pellet production because of its low bond strength. In this experiment， two-component compound modifiers were used to modify sodium silicate to prepare a new inorganic-organic composite cold pellet binder， the influence of modifier ratio and addition dosage on pellet structure and composition was analyzed. The results show that： when the compound modifier-component mass ratio is 1：1， adding amount is 2%， modified adhesive bond strength is higher， and compression strength of pellets produced with modified adhesive can reach to 2.75 kN.

Key words： Water supply and drainage； Water glass； Compressive strength

水玻璃是一種常見的粘結(jié)劑，從20世紀50年代初引入我國鑄造行業(yè)[1]，到現(xiàn)在已有60多年的應用歷史，其具有來源充足、廉價、無色、無味、無毒，長期使用對人體無害等優(yōu)點[2，3]，是目前在粘結(jié)劑領(lǐng)域應用最成功的無害化學粘結(jié)劑。水玻璃在國民經(jīng)濟中的地位越來越顯要，現(xiàn)代科技發(fā)展已預示到[4]，水玻璃可以應用到經(jīng)濟建設(shè)的各個領(lǐng)域，而且建筑業(yè)的應用越來越廣泛深人。無機涂料與有機涂料相比[5，6]，具有省能源、無公害、無污染等優(yōu)點[7]。因此，對無機涂料的研究日益引起人們的重視，尤其是水玻璃無機涂料原材料來源豐富，防火性能好，價格低廉，以致發(fā)展較為引人注目。粘結(jié)劑是冷固結(jié)工藝生產(chǎn)球團礦中必不可少的一種原料，它決定著鐵礦球團的生產(chǎn)質(zhì)量[8，9]。普通水玻璃粘結(jié)性強度不高，利用其做為粘結(jié)劑生產(chǎn)的鐵礦球團的抗壓強度較低，不能滿足鋼鐵冶煉的要求。本文基于此對給排水工程的水玻璃進行了改性研究。

1 水玻璃特性

水玻璃為無色、青綠色或棕色的固體或粘稠類液體，其組成中包含無定形的二氧化硅、水合物、氫氧化物、正硅酸以及多種聚硅酸鹽陰離子等。陰離子的種類及其含量與水玻璃的模數(shù)及pH值有關(guān)。液體水玻璃暴露在空氣中，形成無定形硅酸，并逐漸干燥固化，反應式為：

圖1 水玻璃反應

Fig.1 The water glass reaction

上述反應中，上述反應中，M為堿金屬離子，如Na、K 等；m為水玻璃模數(shù)；x為不小于1的自然數(shù)。該過程自然進行時很緩慢，且不完全。因此，為加速固化和提高涂膜的耐水性常加入固化劑。現(xiàn)在常用的固化劑有縮合磷酸鹽（Al、Mg、Ca鹽等）、氧化物、硼酸鹽等。

2 改進實驗

水玻璃用作涂料基料時其耐水性欠佳，因此，需通過采取改性措施來提高其耐水性及其它性能。改性時應綜合考慮反應時間、粘度、耐水性、凝膠時間和配伍性等。本文主要針對粘合劑特性進行改進。

2.1 改進材料

本實驗的主要材料包括含鐵粉礦，化學組成見表1。工業(yè)用水玻璃以及兩種改性劑X（AR）與K（AR），其中，含鐵粉礦由寶鋼集團提供，其原料配比為：泥礦：中加粉：高鐵粉=1∶5∶4，含鐵量為50%；工業(yè)用水玻璃呈堿性，模數(shù)為2.6。

表1 含鐵粉礦的化學組成

Table 1 Chemical composition of iron ore

項目 TFe FeO SiO2 TiO2 CaO P S As Zn

高鐵粉 70.54 17.59 - 4.78 4.68 0.081 0.187 0.01 0.01

中加粉 37.91 - 23.35 0.411 1.1 0.071 0.274 - -

泥礦 37.14 - 23.97 4.81 0.34 0.024 0.024 0.01 0.01

2.2 儀器

主要利用LT-200超聲波儀，Sirion200透射電鏡，PHI-5702XPS/AES光電子能譜儀。

2.3 實驗結(jié)果與分析

2.3.1 改性劑影響分析

改性劑加入量對水玻璃的粘結(jié)強度影響較大，在改性劑雙組份X與K的比值為1：1條件下，考察改性劑加入量對水玻璃改性效果的影響。進行了試驗，試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 改性劑加入量對水玻璃粘結(jié)強度的影響

Fig.2 Influence of modifier addition on bonding strength of sodium silicate

可知隨改性劑加入量的增加，鐵礦球團試樣的徑向抗壓力先增大后減小，在加入量為2%時達到最大值2.75 kN。分析原因，認為無機有機復合改性劑可細化水玻璃凝膠膠粒，同時可對水玻璃起到絡合、增加粘結(jié)橋等作用，提高粘結(jié)效果，但改性劑過量會使水玻璃提前固化失效。

2.3.2 紅外光譜分析

對普通水玻璃和改性水玻璃進行紅外光譜測試，分析化合物中所含的主要官能團，了解改性前后水玻璃的分子結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，分別如圖3和圖4所示。

圖3 普通水玻璃的紅外光譜圖

Fig.3 Infrared spectrum of modified sodium silicate

分析可知，圖3中3 600～34 00 cm-1為硅羥基的特征吸收峰，l 700～1 600 cm-1為結(jié)構(gòu)水中的羥基特征吸收峰，1 000～900 cm-1和500～400 cm-1處為硅氧基特征吸收峰；圖4 中3 450～3 400 cm-1為硅羥基的特征吸收峰，1 640～1 620 cm-1為結(jié)構(gòu)水中的羥基特征吸收峰、1 570～1 550 cm-1、1 460～1 440 cm-1和1 370～1 360 cm-1為羧酸根離子吸收峰，990～900 cm-1和490～450 cm-1為硅氧基特征吸收峰[5]。

圖4 改性水玻璃紅外光譜圖

Fig.4 Infrared spectrum of traditional sodium silicate

比較圖3和圖4，兩條曲線的形狀相似，說明水玻璃改性前后未出現(xiàn)新的官能團，即改性劑和水玻璃并沒有發(fā)生實質(zhì)性化學反應，僅形成了混合溶液。

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