水玻璃结合剂.doc

水玻璃结合剂(water   glass   blinder)
一种无机材料的胶结剂。又称泡花碱。此类碱金属硅酸盐是用石英砂与钠、或钾、或锂的碳酸盐(或硫酸盐)熔融反应而制得。其化学通式为R2O•nSiO2•mH2O，R2O指碱金属氧化物，如Na2O、K2O、Li2O；n指SiO2摩尔数；m指所含H2O摩尔数。这类碱金属硅酸盐溶于水中会水解而形成溶胶。溶胶具有良好的胶结性能。因此在工业上被广泛用作无机材料胶结剂，在耐火材料工业作为结合剂用相当广泛，也广泛用于造纸及纺织等工业。
分类按碱金属硅酸盐中碱的种类不同，水玻璃可分为硅酸钠水玻璃、硅酸钾水玻璃、硅酸锂水玻璃、硅酸盐季胺水玻璃和钾钠硅酸盐水玻璃等。但除硅酸钠水玻璃得到大量应用外，其他硅酸盐水玻璃用量较少。硅酸钠水玻璃又可按水玻璃模数M(系指SiO2与Na2O的摩尔比)不同加以分类：M≥3的称为中性水玻璃；M<3．0的称为碱性水玻璃，但这只是一种习惯的分类法，实际上，无论是中性还是碱性水玻璃，水解后水溶液均呈碱性。
制造  硅酸钠水玻璃的制造方法有干法和湿法之分。干法是由石英粉与碳酸钠或硫酸钠按一定比例混合之后，加入1350～1500C的熔融炉中经过熔融反应而制得固体熔合物，其反应如下：

或
湿法是用硅石微粉或非晶质硅质原料与苛性碱(Na()H)直接反应而制得，其反应如下：

但，目前几乎都采用干法制造。
从Na2O-SiO2二元状态图(图1)可以看出：随着SiO2含量的不同，或随SiO2与Na2O摩尔比不同，其反应产物不同，当M≥2时反应产物为：Na2O-SiO2和石英；当2≥M≥1时，反应产物为Na2O•2SiO2和Na2O•SiO2；当1≥M≥0.5时，反应产物为Na2O•SiO2和2Na2O•SiO2，而当M≥1时，反应产物为2Na2O•SiO2。但一般熔融制得的硅酸钠固态熔合物是由正硅酸钠(2Na2O•SiO2和偏硅酸钠(Na2O•SiO2)或二硅酸钠(Na2O•SiO2)组成的混合物。这类熔融反应生成的固体熔合物装入蒸压釜内，用蒸汽使其溶解于水中便形成液体水玻璃。但随着硅酸钠的模数M和水解时的加水量不同，会形成不同性能的产品，见图2。图中1区为含正硅酸钠和氢氧化钠的混合区；2区为含偏硅酸钠的结晶性硅酸钠区；3区为含部分结晶硅酸钠的混合区；4区为硅酸钠玻璃区；5区为水合玻璃区；6区为水合无定形粉末区；7区为半固体物；8区为高粘稠硅酸钠区；9区为工业上使用的硅酸钠水玻璃区；10区为过稀硅酸钠溶液区；11区为不稳定的凝胶混合物区。

水玻璃除以水溶液状态供使用外，还有将液态水玻璃经过雾化脱水后制成粉末状固态水玻璃供使用。此种水玻璃易溶于水、因而可以直接以粉末状态加入散状耐火材料中配制成不定形耐火材料使用。
性能  水玻璃是一类强碱弱酸盐，在水的作用下易发生水解，其水解反应较复杂，硅酸钠水玻璃的水解反应可简要地归纳为如下反应式：

而NaOH又会进一步电离成Na++0H-，从而使水玻璃溶液呈碱性反应。水玻璃溶液实际上是胶体溶液，其胶粒结构见图3。胶核是由二氧化硅聚集体构成，胶核又会吸附溶液中被电离出的n个SiO32-；同时硅酸钠中也有2n个Na+离子电离出来，其中也会有2(n-x)个Na+离子被吸附在SiO32-周围。胶核所吸附的SiO32-和部分Na+形成吸附层，而另有部分Na+离子扩散到吸附层外，形成扩散层，这样使胶粒带负电。因此硅酸钠水玻璃溶液中胶粒结构可用下式表示：

物理性能  较纯的水玻璃溶液呈无色透明或浅灰色、含有杂质的水玻璃呈浅蓝色或暗黑色。水玻璃中含有的杂质有CaO、Fe2O3、Al2O3和MgO等，它们对水玻璃的质量及其制品的物理化学性能均有影响。水玻璃的物理性能主要是以模数M，密度D和粘度μ来衡量，模数的计算式如下：

式中SiO2和Na2O分别指水玻璃中氧化硅和氧化钠百分含量(％)，1.023指氧化硅与氧化钠分子量之比。密度可用波美计直接测量，密度D与波美度(。Be')之间的关系如下：

用水玻璃溶液作耐火材料的结合剂时，其作业性(指成型性能)主要取决于粘度，而粘度则随水玻璃的密度与模数而变，其关系见图4。在密度相同的情况下，模数越高粘度越大。模数大的水玻璃溶液，随着密度的增大，粘度增大越剧烈。而模数小的水玻璃溶液，其粘度随密度的变化越缓慢，这是与水玻璃溶液中胶态二氧化硅含量有关。模数越高，胶态二氧化硅含量也越多，水玻璃溶液的胶体性质也就越强。相反，模数越低时，水玻璃中含有的胶态二氧化硅也越低，整个体系表现出的非胶体性质也就越强，故粘度随密度变化趋于缓和。硅酸钾水玻璃溶液的粘度与模数和密度的关系与硅酸钠水玻璃相似，其关系见图5。

水玻璃溶液的粘度还与温度有关，其粘度是随温度升高而降低，其关系见表。水玻璃溶液的粘度与温度的关系

水玻璃溶液具有较强的结合强度，其结合强度大小与其胶体组成有关。低模数的水玻璃，由于其结晶质硅酸钠含量要多些，其结合性能弱些，而高模数的水玻璃，其胶态二氧化硅含量高些，结合性能要强些。此外，也可以加入一些外加剂来改善水玻璃的结合强度。
化学性质水玻璃溶液与酸反应时，水玻璃溶液呈碱性，因此它能同无机酸(如硫酸、盐酸、磷酸等)和有机酸(如柠檬酸、醋酸、丙酸、丁酸和酒石酸等)发生置换反应。在反应过程中，溶液中存在的游离钠离子及二氧化硅胶粒表面吸附的钠离子与带相反电荷的酸根离子发生作用，从而使胶粒失去电性，使溶胶失去352稳定性，二氧化硅溶胶便发生絮凝作用，形成凝胶体，如与盐酸作用时发生如下反应：

反应结果二氧化硅溶胶最后以凝胶体沉淀离析出来。
水玻璃溶液与碱的反应：当与碱金属离子的作用不会影响二氧化硅溶胶的稳定性，只是提高其碱度，使模数下降。但与碱土金属作用时，也容易发生絮凝作用，析出白色凝胶体沉淀，如与氢氧化钡作用发生如下反应：

反应生成的水合硅酸钡为凝胶体。同样，与氢氧化钙，氢氧化锶，氢氧化镁作用也会发生类似的反应作用。与氢氧化铵反应时，也会出现凝胶现象。
应用 用水玻璃溶液作耐火材料的结合剂时，其凝结和硬化方式有两种：一是采取干燥和加热方法使硅酸溶胶脱水，导致发生凝胶化而起结合作用，如用水玻璃作不烧砖，耐火泥浆、喷补料和捣打料的结合剂，即靠干燥和加热烘烤使其发生凝结与硬化作用；另一是借助于加入促硬剂，促硬剂与硅酸钠发生化学反应而产生凝结与硬化作用，如用作耐火浇注料的结合剂，可加入氟硅酸钠(Na2Sit?。)作促硬剂，其反应式如下：

反应析出的一部分硅酸凝胶还会与NaF生成络合物：

随着反应的进行，硅酸溶胶变成凝胶不断析出，从而形成了坚固的硬化产物。除氟硅酸钠外，可作水玻璃溶液促硬剂的还有聚合氯化铝、聚合磷酸铝、磷酸镁、磷酸钠、氯化铝等。水玻璃既可作酸性(如硅质、蜡石质)、中性(如粘土质、高铝质)耐火材料的结合剂，又可作碱性(如镁质、镁铬质、镁铝质等)耐火材料的结合剂，用途较广，但用水玻璃作耐火材料结合剂时，由于水玻璃中含有Na2O，会与高耐火性能的氧化物反应形成低熔物相而降低耐火材料的使用温度，因此必须视使用温度而定。