水玻璃转变成硅溶胶的方法.docx

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水玻璃转变成硅溶胶的方法

水玻璃转变成硅溶胶的方法

水玻璃（waterglass），即硅酸钠，俗称泡花碱，化学式Na2SiO3

水玻璃和泡化碱是硅酸钠的俗称。

一、水玻璃的化学成分

水玻璃是由碱金属氧化物和二氧化硅结合而成的可溶性碱金属硅酸盐材料，又称泡花碱。

水玻璃可根据碱金属的种类分为钠水玻璃和钾水玻璃，其分子式分别为Na2O.nSiO2和K2O.nSiO2.式中的系数n称为水玻璃模数，是水玻璃中的氧化硅和碱金属氧化物的分子比（或摩尔比）。

水玻璃模数是水玻璃的重要参数，一般在1.5-3.5之间。

印染氧漂用说玻璃多为Na2O.nSiO21:

3。

水玻璃模数越大，固体水玻璃越难溶于水，n为1时常温水即能溶解，n加大时需热水才能溶解，n大于3时需4个大气压以上的蒸汽才能溶解。

水玻璃模数越大，二氧化硅含量越多，水玻璃粘度增大，易于分解硬化，粘结力增大。

二、水玻璃的生产工艺

硅酸钠（Na2SiO3）又名泡花碱、水玻璃（Na2O。

nSiO2），无色、青绿色或棕色的固体或粘稠液体。

硅酸钠是由硅石（石英砂）、纯碱（或土碱）在熔化窑炉中共熔，冷却粉碎制得，其燃料为媒、天然气、煤气均可。

泡花碱生产工艺可分为干法和湿法两种，通常所使用的是干法生产固体泡花碱，再经溶解转变成所需规格的液体泡花碱，其转换率为1∶2。

5。

生产泡花碱的原料为石英砂、纯碱，将二者按一定比例混合送至反射窑炉中，经高温煅烧溶化炉水淬后包装即为固体泡花碱。

固体泡花碱有利于运输、贮存。

将固体泡花碱在一定温度、压力下将其溶化成液体即为液体泡花碱。

化学反应式为：

Na2CO3＋SiO2—Na2SiO3＋CO2↑

石英砂、纯碱→混合→煅烧→水淬→固体泡花碱→经溶化→液体泡花碱

水玻璃的生产有干法和湿法两种方法。

干法用石英岩和纯碱为原料，磨细拌匀后，在熔炉内于1300-1400℃温度下熔化，按下式反应生成固体水玻璃，溶解于水而制得液体水玻璃

湿法生产以石英岩粉和烧碱为原料，在高压蒸锅内，2—3大气压下进行压蒸反应，直接生成液体水玻璃。

工业水玻璃因分子中氧化钠与二氧化硅比值不同其性质亦不同。

氧化钠与二氧化硅的分子摩尔比称为模数，模数在3以下的称为中性水玻璃，模数3以上的称为碱性水玻璃。

其产品通常有固体水玻璃，水合水玻璃和液体水玻璃之分。

三、用途：

是水质软化剂、助沉剂，在纺织工业中用于助染、漂白和浆纱；

其他用途:

泡花碱的用途非常广泛，几乎遍及国民经济的各个部门。

在化工系统被用来制造硅胶、白炭黑、沸石分子筛、偏硅酸钠、硅溶胶、层硅及速溶粉状泡花碱、硅酸钾钠等各种硅酸盐类产品，是硅化合物的基本原料。

在经济发达国家，以泡花碱为原料的深加工系列产品已发展到50余种，有些已应用于高、精、尖科技领域；在轻工业中是洗衣粉、肥皂等洗涤剂中不可缺少的原料，在机械行业中广泛用于铸造、砂轮制造和金属防腐剂等；在建筑行业中用于制造快干水泥、耐酸水泥防水油、土壤固化剂、耐火材料等；在农业方面可制造硅素肥料；另外用作石油催化裂化的硅铝催化剂、肥皂的填料、瓦楞纸的胶粘剂、金属防腐剂、水软化剂、洗涤剂助剂、耐火材料和陶瓷原料、矿山选矿、防水、堵漏、木材防火、食品防腐以及制胶粘剂、硅胶、硅溶胶、分子筛、白炭黑等……。

三、物理性质及形态:

无色、淡黄色或表灰色透明的粘稠液体。

无水物为无定形，天蓝色或黄绿色，为玻璃状。

形态分为液体、固体、水淬三种。

硅酸钠溶液中滴加稀硫酸溶液由澄清变浑浊，是生成硅酸↓H2SiO3沉淀，

水玻璃硬化中析出的硅酸凝胶具有很强的粘附性，因而水玻璃有良好的粘结能力。

硅酸凝胶能堵塞材料毛细孔并在表面形成连续封闭膜，因而具有很好的抗渗性和抗风化能力。

硅酸凝胶具有高温干燥增加强皮的特性，因而水玻璃具有很好的防火热性。

硅酸凝胶不与酸类物质反应，因而水玻璃具有很好的耐酸性。

但在氧漂液中这些特性却使得硅酸凝胶黏附在设备上引成硅垢，黏附于织物表面而难以洗除，

四、水玻璃的主要技术性质

　　1.粘结力和强度较高

　　水玻璃硬化后的主要成分为硅凝胶（）和固体，比表面积大，因而具有较高的粘结力。

但水玻璃自身质量、配合料性能及施工养护对强度有显著影响。

　　2.耐酸性好

　　可以抵抗除氢氟酸（HF）、热磷酸和高级脂肪酸以外的几乎所有无机和有机酸。

　　3.耐热性好

　　硬化后形成的二氧化硅网状骨架，在高温下强度下降很小，当采用耐热耐火骨料配制水玻璃砂浆和混凝土时，耐热度可达1000℃。

因此水玻璃混凝土的耐热度，也可以理解为主要取决于骨料的耐热度。

　　4.耐碱性和耐水性差

　　因和均溶于碱，故水玻璃不能在碱性环境中使用。

同样由于、NaF、Na2CO3均溶于水而不耐水，但可采用中等浓度的酸对已硬化水玻璃进行酸洗处理，提高耐水性。

5.水玻璃的凝结固化

　　水玻璃在空气中的凝结固化与石灰的凝结固化非常相似，主要通过碳化和脱水结晶固结两个过程来实现，反应式如下：

随着碳化反应的进行，硅胶（）含量增加，接着自由水分蒸发和硅胶脱水成固体SiO2而凝结硬化，其特点是：

　　a．速度慢。

由于空气中CO2浓度低，故碳化反应及整个凝结固化过程十分缓慢。

　　b．体积收缩。

　　c．强度低。

6.液体硅酸钠的技术指标:

指标名称技术指标

模数3.1-3.42.2-2.52.6-2.9

二氧化硅（%）≥26.0≥29.2≥25.7

氧化钠（%）≥8.2≥12.8≥10.2

波美度39.0-41.050.0-52.044.0-46.0

水不溶物（%）≤0.38≤0.36≤0.38

铁（%）≤0.09≤0.08≤0.09

五、硅酸钠产品介绍

1.在硅酸钠系列产品中，不同的模数决定着硅酸钠晶态排列结构的不同、硅酸钠的性能及使用用途等有所不同、对其各产品的命名也不同。

硅酸钠又分为无定形硅酸钠和结晶型硅酸钠。

无定形硅酸钠为初级产品，如我们常见的固体、液体泡花碱。

其中无定形固体泡花碱难溶于水，须在一定的条件下（如固体硅酸钠需在一定的温度、压力等条件下）才能溶解于水；而结晶型的硅酸钠在自然条件下便可溶解于水（如偏硅、层硅等），以便各种使用。

无定形硅酸钠需经过一定的工艺条件可转变成结晶型硅酸钠。

因此，在这里要说明的是：

硅酸钠、速溶硅酸钠、偏硅酸钠、层状硅酸钠等各硅化合物都有着严格的定义，不能混淆。

虽然其生产原料都是硅酸钠，或其产品属以硅酸盐的一种。

但它们所使用的硅酸钠的模数不同、其生产工艺也不同、晶型也不同、各产品的性能、用途等也不同。

所以，它们不是同一产品，更不能三合一。

速溶粉状硅酸钠

速溶粉状硅酸钠通常是将模数在2.1—3.4之间的无定形硅酸钠液体，经喷雾干燥改变其外观结构，制成蓬松粉状物，以便使用时易溶解，但它仍是无定形的硅酸钠。

故称：

速溶粉状泡花碱，简称：

速溶泡花碱。

由于硅酸钠具有一定的碱性、软化水及助沉剂的作用，因此可在洗涤剂中当作填充剂使用，在某些建筑行业也可使用。

其生产工艺简单，首先将液体硅酸钠在调模釜内进行调模，再通过干燥喷雾塔，喷雾干燥，除去水份。

在洗涤助剂中，通常将模数为二的液体硅酸钠制成速溶粉状硅酸钠，因此又称为：

轻质二硅酸钠。

有的生产厂为进一步完善其助洗性能，故将碳酸氢钠加入其中，可称：

聚二硅。

2.偏硅酸钠系列

偏硅酸钠系列是结晶型可溶性硅酸盐的一类，按其结晶水分子数不同可分为九水偏硅、五水偏硅和无水偏硅等等，即：

Na2SiO3?

9H2O、Na2SiO3?

5H2O和Na2SiO3。

其产品形状为白色粉末状。

偏硅酸钠是指模数为1的结晶型硅酸钠，是将无定形液体泡花碱与液碱发生反应，经一定的工艺条件转变成结晶型硅酸钠，为呈无色透明的单斜柱形或长针形晶体。

通常生产使用的有九水、五水偏硅酸钠两种。

九水偏硅钠因含水分子量大，故易潮解，它的吸潮率为133%。

美、日等国早在六、七十年代刚刚形成工业化生产，因其极易潮解结块而被淘汰，取而代之的是五水偏硅酸钠，其吸潮率为74%。

无水偏硅酸钠生产成本太高，不易生产使用。

目前，国内已有数家生产九水偏硅酸钠厂家，五水偏硅酸钠有天津碱厂、乌海市化工厂、郑州泡花碱厂等厂家生产，工艺为母液循环法。

天津东方红化工厂从瑞典引进的万吨级偏硅生产装置已投产使用。

偏硅酸钠在我国已有十余年历史，由于偏硅酸钠的模数为1，因此它具有较强的碱性、去污力强、缓冲力大，可中和酸性污物，使脂肪和油乳化，对无机物有反絮凝作用，对金属又有防腐蚀作有。

因此它广泛应用于无磷洗衣粉、工业洗涤剂，食品清洗剂，金属清洗剂，织物处理剂纸张脱墨和还广泛用于建筑陶瓷的制造业。

六.钠水玻璃的基本组成

工业水玻璃中含有各种杂质,为了制取纯水玻璃,将硅胶溶解于氢氧化钠的热溶液中,SiO2浓度为0.8mol/L,模数分别为1.8,2.4和3.6.配好后立即进行硅烷化反应,即将硅酸分子中的硅羟基与三甲基硅醇发生醚化反应,转变成硅酸醚衍生物,以避免老化现象的影响.例如,正硅酸转变成四（三甲基）硅醚衍生物:

Si（CH）4+4（CH3）3SiOHpH2Si-[OSi（CH3）3]4可以用SiT4或简单地以“·”来表示单正硅酸或其醚化衍生物.二硅酸转变成六（三甲基）硅醚衍生物:

（HO）3SiOSi（OH3）3+6（CH3）3SiOHpH2[（CH3）3SiO—]3SiOSi-[OSi（CH3）3]3可以用SiT6或简单地以“·—·”来表示二硅酸或其醚化衍生物,以此类推.聚硅酸分子中的硅羟基全部转变成硅醚后,分离时不再会发生缩聚和解聚反应,因而可以用精密分馏或气相色谱法将可挥发部分的组成一一分离出来。

具体操作如下:

9mL2∶1盐酸、15mL异丙醇、9mL六甲基二硅氧烷和1mL十四烷（作气相色谱的内标）的六甲基二硅氧烷溶液（5g/100mL）,混合后,搅拌30min,先解聚成三甲基硅醇:

（CH3）3SiOSi（CH3）3+H2O2（CH3）3SiOH然后加10mL水玻璃试样,搅拌90min,进行硅烷化反应.硅烷化衍生物层用分液漏斗分出,并用水洗涤三次,用干燥剂干燥.硅烷化衍生物层用气相色谱仪进行分离和定量.测出的衍生物可以分为三类

1.水玻璃的原有组成为聚硅酸钠,pH10～13.而硅烷化反应必须在pH2下才能进行,水玻璃酸化到pH2时必然趋向新的平衡.虽然人们一再改进硅烷化反应的操作步骤,也不能完全避免平衡移动,所以测定的结果仅具有定性或半定量的意义.　　

2.气相色谱仪的气化室温度控制在250～300°C,沸点高于此温度的衍生物不能被分离和测定.

　　3.对于含量较多的衍生物,从三个不同模数的水玻璃的衍生物来看,虽然它们均中和到pH2（即中和后模数趋向同一）,但测定结果仍能反映出它们的差异。

据推测,可能是硅烷化反应的速度稍大于聚硅酸达到新平衡的速度,因而这个方法能部分地反映出不同模数水玻璃在趋向新平衡中途时聚硅酸组成

　　4.刚制好的水玻璃没有光散射现象,在贮放过程中逐渐产生微弱的光散射.丁铎尔效应是胶粒的特征现象,因此水玻璃在贮放过程中不断有胶粒生成（水玻璃的老化）.据测定,胶粒的粒径大多仅1～2nm,硅酸聚合度15～150,折合成2～20个立方八硅酸单元.可以将胶粒视作是立方八硅酸的缩聚产物.

　　5.硅酸聚合时不生成长直链的聚合物,却倾向于生成环状和双环笼状聚合物,其原因与阳离子的离子半径有关.当硅酸聚合成环状和双笼状聚合物时,恰巧可以将阳离子（Li+、Na+、K+、R4N+）包络在环内或笼内,形成能量较低,稳定性较高的配位化合物.这从阳离子的半径愈大,例如K+和R4N+,生成大环的数量也相应增多,可以得到间接的证明.根据上述事实,对实际情况作适当简化,使29Si核磁共振谱的识读成为可能．

　　市售水玻璃的含固量在35%～43%,它们的29Si核磁共振谱的诸吸收峰相互交叠,无法正确地测定各吸收峰的相对积分面积.因此,将纯硅胶溶解于纯氢氧化钠的热溶液中,制得含固量在20%～25%,模数分别为2.0,2.5,3.3和4.0的纯水玻璃，一个含固量20%～25%的稀水玻璃的组成可以近似3．　

　　随着模数的增大,硅酸的聚合度也相应增高,低聚硅酸（一级和二级硅原子）的相对含量减小,高聚硅酸（三级和四级原子）的相对含量增大.模数2.0的水玻璃试样不出现四级硅原子的吸收峰.所以模数≤2的水玻璃不会生成胶粒,不呈现丁铎尔效应.四级硅原子的存在可视作是否含有胶态二氧化硅的标志,可解释为硅酸聚合时最终聚合成立方八硅酸,再通过立方八硅酸的缩聚而生成胶粒.模数2.5和3.3水玻璃试样的三级和四级硅原子吸收峰相对积分面积之和分别为42%和52%.试样的含固量仅20%～25%,而市售水玻璃含固量一般为35%～43%.随着浓度的升高,高聚硅酸的含量也相应增加,所以市售水玻璃中立方八硅酸及其缩聚物的含量必然超过聚硅酸的50%;模数4.0试样中,立方八硅酸及其缩聚物的含量已达到70%.市售高模数水玻璃中的含量更高,所以模数4.0是钠水玻璃的上限,大于4.0时已基本硅溶胶化,所有硅酸均以胶粒形态存在于体系中.立方八硅酸是硅酸聚合的归宿,又是生成胶粒的起始,它在水玻璃中含量又超过全部硅酸的50%,所以立方八硅酸是水玻璃的基本成分.其他低聚硅酸,如二～四硅酸和环四硅酸均可视作是硅酸聚合成立方八硅酸的中间产物.在生成环四硅酸和立方八硅酸的同时,还有少量环三硅酸,环五硅酸,环六硅酸和双三环六硅酸,双五环十硅酸伴生,可以视作是硅酸聚合成立方八硅酸的副产物.

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