[科普中国]-水玻璃砂

定义

水玻璃是各种聚硅酸盐水溶液的统称。铸造上常用的是钠（Na2O·mSiO2）水玻璃，其次是钾（K2O·mSiO2）水玻璃，此外还有锂（Li2O·mSiO2）水玻璃，钾钠（mK2O·Na2O·mSiO2）水玻璃季氨盐（季氨盐）水玻璃等。其中，由于钠水玻璃的应用最广泛，所以我们主要介绍一下它，钠水玻璃有几个重要的参数，直接影响它的化学和物理性质，也直接影响到一钠水玻璃为粘结剂的钠水玻璃砂的工艺性能，这就是钠水玻璃的模数，密度，含固量和粘度。

模数：钠水玻璃中SiO2和Na2O的物质的量之比称为模数，用M表示。

密度：钠水玻璃的密度ρ取决于钠水玻璃中水的质量分数。密度低，水的质量分数高，含固量少，不宜作为型（芯）砂的粘结剂；反之，密度大，粘稠，也不便定量和不利与砂子混合。铸造上通常采用密度为1.32~1.68克/立方厘米或者波美度35~54三维钠水玻璃。

含固量：钠水玻璃的水分W水=（W+G-W'-G'）/W×100%

式中： W—混合物中的钠水玻璃质量；G—混合物中颗粒材料的质量：

G'—单独将同样的颗粒材料烘干后损失的质量 W'—混合物烘干至恒重的质量而含固量 S=100-W水

粘度：钠水玻璃的粘度随其水分，密度和模数而定，对比相关数据我们可以总结得到。

1）当水分和密度大体相同时，模数越小则粘度越大；

2）当模数一定时，气粘度随水分的增大而剧烈下降。

制作工艺对于钠水玻璃砂的硬化机理至今还没准确的定论，但是我们可以提供其不同硬化方式与钠水玻璃模数，密度的关系以指导生产。

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钠玻璃砂CO2是某些车间常用的制芯造型工艺。此法既可以用于大量生产和单件小批生产，也适用于大小型、芯。目前广泛采用的CO2-钠水玻璃砂，大都有纯净的人造（或天然）石英砂加入4.5%~8.0%的钠水玻璃配制而成。对于几十吨的质量要求高的大型铸钢件砂型（芯），全部采用面砂或局部采用镁砂、铬铁矿砂，橄榄石砂、锆砂等特种砂代替石英砂较为有利。有的要求钠水玻璃砂具有一定湿态强度和可塑性，以便脱模后再吹CO2硬化，可以加入1%~3%的膨润土（质量分数）或3%~6%的普通粘土砂（质量分数）或加入部分粘土砂。为改善出砂性，有的型砂还加入1.5%的木屑（质量分数）或加入5%的石棉砂（质量分数）或加入其它附加物。

相关问题钠水玻璃砂目前存在的问题及解决方法：

1）出砂性差：a）在钠水玻璃中加入附加物；b）减少钠水玻璃的用量；c）减低易熔融物质的含量；d）采用以石灰石作原砂的钠水玻璃CO2自硬砂。

2）铸铁件粘砂：a）刷涂料，最好使用醇基涂料；b）一般铸铁件也可以在钠水玻璃中加入适量的煤粉或者适量具有填料性能的高岭土式粘土

3）型、芯表面粉化（白霜）：a）控制钠水玻璃的水分不要偏高，吹CO2的时间不宜过长，型、芯不要放置太久；b）据有关工厂的经验，在钠水玻璃中加入占砂质量1%左右，密度为1.3克∕立方厘米的糖浆，可以有效防止粉化。

4）砂芯抗吸湿性差：a）在钠水玻璃砂中加入锂水玻璃或在钠水玻璃中加入Li2CO3、CaCO3、ZnCO3等无机附加物；b）在钠水玻璃中加入少量有机材料或加入具有表面活性剂作用的有机物，粘结剂。

5）此外，还存在发气量大（注意排气；先烘干砂芯再浇注）、旧砂再生和回用困难、热膨胀（加入质量分数4%的高岭土粘土形式的铝土）等问题1。

水玻璃“老化”的因素及“老化”的消除新制备的水玻璃是一种真溶液。但是在存放过程中，水玻璃中硅酸要进行缩聚，将从真溶液逐步缩聚成大分子的硅酸溶液，最后成为硅酸凝胶。因此，水玻璃实际上是一种由不同聚合度的聚硅酸组成的非均相混合物，易受其模数、浓度、温度、电解质含量和存放时间的影响。

水玻璃在存放过程中分子产生缩聚，形成凝胶，其粘结强度随着贮存时间的延长而逐渐降低，这一现象称为水玻璃“老化”。“老化”现象可由下述两组试验数据来说明：高模数水玻璃（M=2.89，ρ =1.44 g/cm3） 贮放20、60、120、180、240 d 后，吹CO2硬化的水玻璃砂干拉强度相应下降9.9 %、14 %、23.5 %、36.8 %和40 %；低模数水玻璃（M=2.44，ρ =1.41 g/cm3）贮放7、30、60和90 d 后，干拉强度分别下降4.5 %、5 %、7.3 %和11 %。

水玻璃存放时间对酯硬化水玻璃自硬砂初期强度影响不大，但对后期强度影响明显，据测定，对于高模数水玻璃下降60 %左右，对于低模数水玻璃下降15 %～20 %。残留强度也随存放时间的延长而降低。

水玻璃在存放过程中聚硅酸的缩聚反应和解聚反应同时进行着，分子量发生了歧化，最终生成单正硅酸和胶粒并存的多重分散体系，也就是在水玻璃的老化过程中，聚硅酸的聚合度发生了歧化，单正硅酸和高聚硅酸的含量均随存放时间的延长而增多。水玻璃在存放中缩聚、解聚反应的结果，使粘结强度下降了，即产生“老化”现象。

影响水玻璃“老化”的因素主要有：存放时间、水玻璃的模数和浓度。存放时间越长，模数越高，浓度越大，则“老化”越严重。对久存的水玻璃可以采用多种方法的改性处理，以消除“老化”，使水玻璃恢复到新鲜水玻璃的性能：

1. 物理改性

水玻璃老化是缓慢释放能量的自发过程，用物理改性处理“老化”的水玻璃就是用磁场、超声波、高频或加热等办法，向水玻璃体系提供能量，促使高聚合的聚硅酸胶粒重新解聚，促使聚硅酸的分子量重新均匀化，从而消除了老化现象，这就是物理改性的机理。例如，用磁场处理后，水玻璃砂的强度提高了20 %～30 %，减少水玻璃加入量30 %～40 %，节约CO2，改善溃散性，有较好的经济效益。物理改性的缺点是不持久，处理后再贮放，粘结强度又会下降，故适用于铸造厂处理后尽快使用。尤其是M>2.6 的水玻璃，硅酸分子浓度大，经过物理改性解聚后又会较快地缩聚，最好是处理后立即使用。

2. 化学改性

化学改性是往水玻璃中加入少量化合物，这些化合物均含有羧基、酰胺基、羰基、羟基、醚基、氨基等极性基团，通过氢键或静电将其吸附在硅酸分子或胶粒表面，改变其表面位能和溶剂化能力，提高聚硅酸稳定性，从而阻止“老化”进行。例如往水玻璃中加入聚丙烯酰胺、改性淀粉、聚磷酸盐等，可取得较好的效果。往普通水玻璃甚至改性水玻璃中掺入有机物可以起到多种作用，如：改变水玻璃的粘流性质；改善水玻璃混和料的造型性能；提高粘结强度，使水玻璃的绝对加入量减少；提高硅酸凝胶的可塑性；降低残留强度，使水玻璃砂更适用于铸铁和有色合金2。