钠水玻璃的结构和组成研究进展

一般水玻璃是指硅酸钠水玻璃，又称“泡花碱”。硅酸钠是弱酸强碱盐，其固态时为白色或灰白色的团块或粉末，溶于水时，纯的钠水玻璃外观为无色黏稠液体，pH为11～13。商品水玻璃多含盐杂质，呈灰色或绿色。

3.1.1.1　钠水玻璃的性能参数

钠水玻璃的主要性能参数为模数、密度、黏度及杂质含量等［6，11，13，15］。

1.模数

对钠水玻璃进行化学分析，可得出钠水玻璃中SiO2和Na2O的质量分数。模数（m）为SiO2和Na2O的摩尔比值，由以下方法计算：

m=SiO2物质的量/Na2O物质的量，由于Na2O的相对分子质量为62，SiO2的相对分子质量为60，则：m=（SiO2物质的量/Na2O物质的量）×1.033，即m=（ωSiO2/ωNa2O）×1.033=1.033 R，其中ωSiO2、ωNa2O分别为SiO2质量分数、Na2O质量分数；R为硅碱比，欧美国家常用R来表示水玻璃的性能。

模数由固体硅酸钠的成分决定，它对水玻璃的各项性能都有重大影响。

2.密度与浓度

水玻璃的浓度是指它的水溶液中含有Na2O·mSiO2的质量百分数，常用C表示。而水玻璃的密度与质量百分浓度并不存在严格的线性关系。人们习惯采用密度ρ或波美度°Bé来表示水玻璃浓度。

密度ρ（g/cm3）与波美度°Bé之间的换算关系为：ρ=144.3÷（144.3-°Bé），°Bé可采用波美比重计来实测。

随着温度的提高，硅酸钠溶液的体积发生膨胀，使密度降低；反之，则密度升高。工业生产中所测的°Bé，一般需校正成温度20℃下的°Bé，校正公式为：

°Bé20℃=°Bé测-（20－t）×0.04

公式中，t为测定时的液体温度（℃）；0.04为温度变动l℃的校正值。

一般认为，钠水玻璃由Na2O-SiO2-H2O组成，其具体结构随模数等因素的变化而变化。目前，钠水玻璃的结构和组成仍无法有效测定［11，15］。钠水玻璃的ωSiO2、ωNa2O、模数和密度之间的关系如图3-2所示，已知其中的任意2个，从图中可求出另外2个指标。

图3-2　20℃钠水玻璃的SiO2和Na2O含量、密度（波美度）、硅碱比关系图（朱纯熙，2000）

3.黏度或动力黏滞系数

水玻璃的黏度与其模数、浓度或密度、温度和含盐量等有关，呈复杂的非线性关系；同时与水玻璃的存放时间也有关，在贮存过程中，黏度会缓慢降低。

在浓度恒定不变的条件下，聚硅酸钠溶液在m=2是个转折点，即模数m=2左右，黏度（Pa·s）值最小（图3-3）。

图3-3　含固量恒定钠水玻璃黏度与模数关系图（朱纯熙，2000）

图内数字为含固量SiO2与Na2O之和的百分含量

在模数恒定不变的条件下，浓度越高，黏度越大。高模数水玻璃溶液比低模数水玻璃溶液黏度上升要快，每一模数的水玻璃溶液，都有一定的浓度临界值，模数—浓度超过临界值后，黏度存在直线上升现象，失去流动性而被固化（图3-4、表3-1）［11-12］。

图3-4　钠水玻璃黏度与模数、浓度关系图

温度对水玻璃的黏度有影响，黏度随温度的升高而降低，如图3-5所示，图中曲线l～6的性质如表3-2。水玻璃的浓度以百分质量表示，不同模数的水玻璃如果被充分加热，黏度均小于0.1Pa·s。(www.xing528.com)

表3-1　不同模数下的临界浓度值表

图3-5　钠水玻璃黏度与温度关系图（朱纯熙，2000）

表3-2　图3-5中曲线l～6的浓度及硅碱比对比表

水玻璃中还含有杂质盐，如NaCl、Na2SO4、Na2CO3等（图3-6）。这些杂质对水玻璃的密度、黏度、黏结强度、硬化速度、老化速度、表面张力等都有不良影响。减少水玻璃中的杂质含量，对水玻璃的加入量的减少、提高水玻璃的黏结强度等具有重大意义［15］。可溶性盐分对水玻璃黏度的影响分析表明（图3-6），随着溶盐含量的增加，黏度呈几何级数增大。其原因是电解质的存在，会促进硅酸的聚合，发生凝胶化，当盐浓度＞0.1摩尔时，硅溶胶开始凝胶化，黏度急剧升高［11-12］。

3.1.1.2　钠水玻璃的物理、化学性质

1.沸点

如图3-7所示，钠水玻璃溶液的沸点，一般随浓度的增加而升高；但高模数溶液其沸点增高较慢。其原因是高模数水玻璃中存在SiO2胶体，低模数水玻璃中有游离硅酸。

在煮沸的过程中，水玻璃溶液，尤其高模数水玻璃，因存在少量电解质，易析出无定形SiO2絮状沉淀。

2.钠水玻璃溶液的性质

当模数m≤2时，浓度小，则水玻璃溶液是硅酸钠的真溶液，几乎不存在胶体粒子；浓度高，则析出水合或无水性质的多种硅酸钠晶体，也不会生成胶体粒子。

2＜m＜4时，水玻璃溶液中出现SiO2胶体粒子，粒径较小，仅1 nm～2 nm，并且随着模数的增大，胶体粒子的含量也增加；这时的溶液是离子溶液（真溶液）和胶体溶液并存的体系，兼有二者的性质。m≥4时，钠水玻璃基本上硅溶胶化，粒径可达100 nm，不再具有真溶液的性质，也不宜称作水玻璃［11-12，15-16］。

图3-6　可溶盐与水玻璃（m=3.3）黏度关系图

图3-7　硅酸钠溶液沸点与模数、浓度关系图

水玻璃内真溶液占的份额愈大，则水玻璃愈稳定；胶体溶液占的份额愈大，愈容易因凝胶化而固化。因此，高模数水玻璃易凝结而不稳定，既有微弱的电泳现象和丁泽尔效应（离子溶液的性质），又有胶体溶液的特性。

3.pH值及胶凝时间

随着钠水玻璃模数的升高，pH降低；同一模数的水玻璃pH又随浓度和老化程度而升高。

低模数的钠水玻璃m=2.1～2.6时，pH值为11～13；模数升高到2.8以上，pH值为8～10。前者加入酚酞指示剂，显红色；后者不显红色。习惯上，人们把后者称作“中性水玻璃”，实际上仍然是碱性的。钠水玻璃在pH＞10时，很稳定；加入适量的酸性物质（硬化剂），使pH值降低，稳定性下降，钠水玻璃的水解、缩聚凝胶过程加速进行［11］。图3-8以乙酸为硬化剂，说明pH变化对钠水玻璃的胶凝时间有非常重要的影响。pH=6.8～9.1间，胶凝时间最短；pH=3.2～3.9和pH＞10时，水玻璃稳定性好，胶凝速度非常慢。

图3-8　钠水玻璃胶凝时间与溶液pH值的关系曲线图（樊自田，2004）

4.钠水玻璃的化学反应

向水玻璃中加入硬化剂或反应剂，如CO2酸性气体、硅铁粉、硅酸二钙、有机酯溶液，与水玻璃发生化学反应，生成具有黏结性能的新产物—凝胶，在机械铸造工业中，形成水玻璃砂型。