玻璃离子水门汀固化反应过程的研究

论文摘要

本论文研究目的：其一是SiO2·Al2O3·CaO·CaF2·P2O5系统玻璃的组成和结构对玻璃离子水门汀性能的影响；其二是探索固化反应机理，如固化过程及水门汀抗压强度随时间延长而增加的原因，完善固化反应理论。采用FTIR、DSC／TG和X-ray衍射研究了SiO2·Al2O3·CaO·CaF2·P2O5系统玻璃的结构。酸蚀后，不含氟玻璃的红外光谱几乎没有变化，然而含氟玻璃的红外光谱则有很大变化，表征Si-O伸缩振动，即位于1006～1024cm-1谱分裂为2个，即1086 cm-1和996cm-1～1024cm-1，并且吸收强度显著变化。结果表明在含氟玻璃中存在不同反应活性相区；酸洗之所以能延长固化时间的原因主要在于在玻璃颗粒表面形成部分覆盖的硅凝胶层；而热处理除产生分相和结晶外，从180℃开始至800℃产生持续、均匀的失重，它导致玻璃组成和结构的变化，因而影响固化反应速度。通过比较贮存在硅油、空气和水等不同介质中试样的短期力学性能随时间延长变化的规律，然后采用红外、DSC／TG及扫描电子显微镜对相应的试样进行测试分析，研究了氟化物、磷化物和水等因素对固化反应过程的影响。放置在空气中的试样在24h时达到最大值并开始下降，至210Mpa后保持恒定，而贮存在水和硅油中试样，其强度保持恒定速度增加，并持续一个相当长的时间，但在硅油中的试样呈更快速的增加，结果表明，在抗压强度随时间变化过程中，水具有至关重要的作用，它能保持、延缓或阻止固化反应的进行。随氟含量增加，初期抗压强度增加速度显著增加；然而随磷含量增加，工作时间延长，其抗压强度则呈先增加，在磷含量在一中间值时达到最大值，然后随磷含量增加又呈下降趋势。在水门汀固化过程中，红外和DSC／TG结果表明基体组成和结构及硅凝胶界面层均发生了变化。如表征聚羧酸盐的特征吸收峰(1413cm-1)相对强度随时间延长增加，而表征硅醇（Si-OH）的特征吸收峰(位于950cm-1的肩峰)在研究周期内仍然存在；固化水门汀基体的热分解过程表明有无机物进入并分布在整个基体中，但并不足以说明无机网络的存在。并且SEM结果显示，因在高真空条件下水分的挥发形成的半球形空洞随时间延长减少，并最终消失，它表明在固化初期阶段，在水门汀内部存在未反应区或欠反应区，因此水门汀为不均匀体，强度较低；但随时间延长，空洞减少至消失，表明Ca2+和Al3+扩散进入这些未反应区或欠反应区，并与聚丙烯酸反应，使交联密度增加，水门汀逐渐变为均匀体，抗压强度增加。这些结果与力学性能的测试结果一致，因此抗压强度随时间延长而增加的原因应主要在于Ca2+和Al3+缓慢扩散并与聚丙烯酸反应，使交联密度增加，同时硅凝胶界面层的形成过程也可能具有重要的作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 玻璃离子水门汀的制备研究现状
• 1.1.1 玻璃离子水门汀粉剂的制备
• 1.1.2 玻璃离子水门汀液剂的制备
• 1.2 玻璃离子水门汀固化反应的研究
• 1.2.1 玻璃分解
• 1.2.2 离子的溶出
• 1.2.3 二价或三价金属离子与聚丙烯酸的反应
• 1.2.4 阳离子的水解
• 1.2.5 固化反应过程
• 1.2.6 固化后玻璃离子水门汀的显微结构
• 1.2.7 无机网络结构形成观点
• 1.3 本文研究的目的和内容
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究内容
• 第2章 高含氟钙铝硅酸盐玻璃的制备
• 2·Al₂O₃·CaO·CaF₂·P₂O₅玻璃粉的制备'>2.1 SiO₂·Al₂O₃·CaO·CaF₂·P₂O₅玻璃粉的制备
• 2.1.1 原始玻璃组成
• 2.1.2 玻璃的熔制
• 2.1.3 玻璃粉的热处理
• 2.1.4 玻璃粉的酸处理
• 2.2 聚丙烯酸水溶液液剂的制备
• 2.3 性能测试
• 2.3.1 净固化时间试样的制备和测定
• 2.3.2 抗压强度试样制备
• 2.3.3 红处光谱测试
• 2.3.4 DSC/TG测试
• 2.3.5 X-ray衍射
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 玻璃结构
• 2.4.2 热处理工艺对所形成的水门汀的性能的影响
• 2.4.3 酸处理工艺对所形成的水门汀的性能的影响
• 2.5 小结
• 第3章 固化反应过程中水的作用分析
• 3.1 实验方法
• 3.1.1 玻璃组成
• 3.1.2 稠度测试
• 3.1.3 失重及抗压强度试样样品的制备
• 3.2 结果
• 3.2.1 固化后玻璃离子水门汀中可挥发水的含量
• 3.2.2 试样在不同贮存介质中的强度与时间的关系
• 3.3 讨论
• 3.3.1 理论脱水量的计算
• 3.3.2 玻璃离子水门汀长期力学性能与贮存介质的关系
• 3.3.3 玻璃离子水门汀长期力学性能与温度的关系
• 3.4 小结
• 第4章 玻璃组成中氟和磷对固化反应的作用分析
• 4.1 实验研究
• 4.1.1 玻璃组成
• 4.1.2 性能测试
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 磷在固化反应过程中的作用
• 4.2.2 氟的作用研究
• 4.3 小结
• 第5章 玻璃离子水门汀固化反应的研究
• 5.1 固化反应过程的分析
• 5.1.1 固化水门汀结构模型
• 5.1.2 影响水门汀力学性能因素分析
• 5.1.3 金属离子与聚丙烯酸反应能力分析
• 5.1.4 硅凝胶界面层的形成及作用分析
• 5.2 试验研究
• 5.2.1 材料
• 5.2.2 试验方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 玻璃离子水门汀抗压强度与贮存时间的关系
• 5.3.2 固化过程的FTIR分析
• 5.3.3 固化过程的DSC/TG分析
• 5.3.4 扫描电镜分析结果
• 5.4 小结
• 第6章 结论
• 论文创新点
• 参考文献
• 致谢
• 博士在读期间发表论文