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水玻璃

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木材阻燃剂——水玻璃
木材是一种主要由纤维素、半纤维素和木质素构成的多孔性复杂天然有机物质。其特点是：在通常的加工和使用条件下不溶解、不熔融,因而加工方法不同于合成高分子；木材分子中含有大量的羟基和羟甲基等含氧极性基团,因而吸湿性强、尺寸稳定性差；除易燃外尚有易腐朽和易化学降解的特点。木材的上述特点决定了木材阻燃剂的主流品种都是水溶剂型产品,主导添加方法是浸注法。当把充分吸湿、浸透饱和Na2SiO3溶液的小木条（稍沥干）放置在酒精灯外焰灼烧时，小木条并没有燃烧起来而只是变黑冒泡。很显然，Na2SiO3可提高木材的耐火性能。
硅酸钠化学式:Na2SiO3·9H2O。分两种，一种为偏硅酸钠，化学式Na2SiO3。另一种为正硅酸钠（原硅酸钠），化学式Na4SiO4。俗称泡花碱，是一种水溶性硅酸盐，其水溶液为水玻璃。粘结力强、强度较高，耐酸性、耐热性好，耐碱性和耐水性差。无色正交双锥结晶或白色至灰白色块状物或粉末。能风化，在100℃时失去6分子结晶水。易溶于水，溶于稀氢氧化钠溶液，不溶于乙醇和酸。熔点40～48℃。低毒,密封阴凉干燥保存。
水玻璃溶液因水解而呈碱性（比纯碱稍强）。因系弱酸盐所以遇盐酸、硫酸、硝酸以及二氧化碳都能析出硅酸。保存时应密切防止二氧化碳进入，并应使用橡胶塞以防粘住磨口玻璃塞。
工业上常用纯碱与石英共熔制Na2CO3+SiO2→Na2SiO3+CO2↑，制品常因含亚铁盐而带浅蓝绿色。用为无机粘接制剂（可与滑石粉等混合共用），肥皂填充剂，调制耐酸混凝土，加入颜料后可做外墙的涂料，灌入古建筑基础土壤中使土壤坚固以防倒塌。偏硅酸钠是普通泡化碱与烧碱水热反应而制得的低分子晶体，商品有无水、五水和九水合物。
硅酸钠的生产方法分干法（固相法）和湿法（液相法）两种。
１、干法生产 是将石英砂和纯碱按一定比例混合后在反射炉中加热到1400 ℃左右，生成熔融状硅酸钠；
２、湿法生产以石英岩粉和烧碱为原料，在高压蒸锅内，0.6～1.0Mpa蒸汽下反应，直接生成液体水玻璃。微硅粉可代替石英矿生产出模数为4的硅酸钠。
石英砂和碱的配合比例即SiO2和Na2O的摩尔比决定着硅酸钠的模数m，模数即显示硅酸钠的组成，模数是硅酸钠的重要参数，一般在1.5～3.5之间。模数越大，固体硅酸钠越难溶于水，m为1时常温水即能溶解，m加大时需热水才能溶解， m大于3时需4个大气压以上的蒸汽才能溶解。硅酸钠模数越大，氧化硅含量越多，硅酸钠粘度增大，于分解硬化，粘结力增大，因此不同模数的硅酸钠有着不同的用处。
硅酸钠水溶液的技术指标
指标名称
技术指标
技术指标
技术指标
技术指标
二氧化硅（%）
≥24.6
≥26.0
≥29.2
≥25.7
氧化钠 （%）
≥7.0
≥8.2
≥12.8
≥10.2
水不溶物（%
≤0.20
≤0.38
≤0.36
≤0.38
铁（%）
≤0.02
≤0.09
≤0.08
≤0.09
波美度
0.35～0.37
0. 39～0.41
0 .50～0.52
0. 44～0.46
模数
3.5～3.7
3.1～3.4
2.2～2.5
2.6～2.9

固体硅酸钠的技术指标
指标名称
技术指标
技术指标
技术指标
技术指标
模数
3.5～3.7
3.1～3.4
2.6～2.9
2.2～2.5
可溶固体（%）
≥99
≥99
≥99
≥99
铁(%)
0.12
0.12
0.12
0.10
危险性：吸入本品蒸气或雾对呼吸道粘膜有刺激和腐蚀性，可引起化学性肺炎。液体或雾对眼有强烈刺激性，可致结膜和角膜溃疡。皮肤接触液体可引起皮炎或灼伤。摄入本品液体腐蚀消化道，出现恶心、呕吐、头痛、虚弱及肾损害。本品不燃，具腐蚀性、强刺激性，可致人体灼伤。
急救措施：
１、皮肤接触：立即脱去污染的衣着，用大量流动清水冲洗至少15分钟，然后就医。
２、眼睛接触：立即提起眼睑，用大量流动清水或生理盐水彻底冲洗至少15分钟，然后就医。
３、吸入：迅速脱离现场至空气新鲜处。保持呼吸道通畅。如呼吸困难，给输氧。如呼吸停止，立即进行人工呼吸，然后就医。
４、食入：用水漱口，给饮牛奶或蛋清，然后就医。
木材和木质人造板是由C、H、O等元素组成的 生物有机化合物，属于固体可燃性物质，在燃烧初期有火焰产生，后期主要是木炭在煅烧，没有火焰，表面红热。很显然，木材燃烧属于分解燃烧和表面燃烧。
木材燃烧主要可以分为四个阶段：
１、干燥阶段，温度在150 ℃以下，木材热分解极其缓慢，分解产生的气体主要是CO2和H2O等，该过程为吸热阶段。
２、预炭化阶段，温度在150～275℃，木材的热分解缓慢，细胞壁分开始变化(尤其是半纤维素)，析出CO、CO2和少量有机挥发物，仍为吸热阶段。
３、炭化阶段(有焰燃烧阶段、热分解阶段)，温度在275～450 ℃，木材剧烈热分解，放出大量CO、CH4等可燃性气体，生成木炭和液体产物。液体产物包含醋酸、甲醇和木焦油等，可加剧燃烧放热。 木材燃烧失重的80 %在此阶段完成，是木材燃烧时最危险的阶段，因为放出了大量热，并且火焰及热能在木材表面迅速传播，可蔓延到其他可燃、易燃物。
４、煅烧阶段(阴燃阶段)温度在450～1500 ℃，此时木材的热分解已经结束，木炭开始煅烧，也是放热反应。
阻燃的障碍理论认为：阻燃剂受热后能在木材表面形成熔融的液层、玻璃状隔层或泡沫层，可阻止木材受热分解出来的可燃性气体外逸和氧气进入木材，并且隔断了热量，可同时阻止无焰燃烧和有焰燃烧。常有的防火涂料，包括无机涂料(硅酸钠)和有机涂 料(泡沸涂料)都有此作用。
水玻璃是多种聚硅酸盐组成的复合溶液, 但是各种聚硅酸的聚合度和分子结构均不同,原因是水玻璃的组成不仅随模数、浓度和电解质含量而改变,而且也随存放时间而不断变化。水玻璃具有较强的胶结性能,表面张力较小,粘附力强,能够很好地润湿许多的物体。水玻璃作为防火涂料的成膜机理，一般为硅酸钠在水溶液中水解成硅酸，或与CO2接触反应生成硅酸：
Na2O·nSiO2 + (2n+1)H2O 2NaOH + ｎSi(OH)4
Na2O·nSiO2 + (2n+1)H2O + CO2 2Na2CO3 +ｎSi(OH)4，
上产物又能自聚成多聚硅酸，再进一步脱水缩合成“—Si　—O—Si—”；ｎSi(OH)4→ [Si(OH)4]n从而形成了无机膜。生成的无机膜在木材表面形成熔融的玻璃状隔层。所以，将浸透饱和Na2SiO3溶液的小木条放在酒精灯外焰灼烧时，只是变黑冒泡。
水玻璃的阻燃特点：
1、阻燃效力高,既能阻止有焰燃烧,又能抑制阴燃(无焰燃烧、红热燃烧)；
2、阻燃剂本身无毒,在生产和使用过程中不污染环境,阻燃木材的热解产物应少烟、低毒、无刺激性和无腐蚀性；
3、阻燃性能持久,在使用过程中不发生热、光分解,不易水解和流失；
4、吸湿性低,阻燃木材的尺寸稳定性好；
5、木材的物理力学性能和工艺性能基本不受影响；
6、具有防腐朽、防虫蛀性能,如泰州欧莱的TGF木材阻燃剂、TGP木材阻燃剂；
7、木材的视觉、触觉和调节等环境学特性基本不受影响；
8、成本低廉,来源丰富,易于使用。
发展趋势：
１、鉴于目前科学技术的发展状况,在较长时期内,磷-氮-硼系水基阻燃体系仍将是木材阻燃剂的主流,今后的工作主要是进一步提高抗流失性、耐迁移性和降低成本。
２、随着社会的进步,人们对材料的性能要求不仅越来越高,而且越来越全面,具有阻燃、防腐、防虫、抗流失和尺寸稳定等多方面效力的木材保护药剂将成为木材阻燃剂的主要发展方向。
３、当火灾发生时,因浓烟尤其是有毒浓烟造成的直接人员伤亡和因妨碍扑救而造成的间接财产损失往往不亚于火烧的损失,抑烟性研究将成为木材阻燃剂的重要课题。
４、随着人们对阻燃机理认识的逐步深入,新阻燃体系的研究将等到重视。预期目前已经在合成高分子材料领域得到飞速发展的膨胀型阻燃体系,将在木质复合材料领域发挥作用。
５、由于塑料的不可生物降解性,未来若干年内回收塑料的量将急剧增大,这就为制造新型热塑性塑料-木材复合材料提供了原料基础。该类材料将从根本上避免甲醛树脂胶粘剂释放游离甲醛和在使用过程中因缓慢分解而释放甲醛的问题。热塑性塑料-木材复合材料的阻燃将成为木质材料阻燃的新课题。
６、多孔性的阻燃木材更易释放阻燃剂,因而木材阻燃剂在生产和使用过程中对人身安全和环境的影响将成为制约木材阻燃剂发展的重要因素。木材阻燃剂处理对人类健康和生存环境的影响,是木材阻燃研究的重要课题。
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