水玻璃砂

水玻璃是各種聚硅酸鹽水溶液的統稱。鑄造上常用的是鈉（NaO·mSiO）水玻璃，其次是鉀（KO·mSiO）水玻璃，此外還有鋰（LiO·mSiO）水玻璃，鉀鈉（mKO·NaO·mSiO）水玻璃季氨鹽（季氨鹽）水玻璃等。其中，由於鈉水玻璃的應用最廣泛，所以我們主要介紹一下它，鈉水玻璃有幾個重要的參數，直接影響它的化學和物理性質，也直接影響到一鈉水玻璃為粘結劑的鈉水玻璃砂的工藝性能，這就是鈉水玻璃的模數，密度，含固量和粘度。

模數：鈉水玻璃中SiO和NaO化學成分的化學含量之比稱為模數。

密度：鈉水玻璃的密度ρ取決於鈉水玻璃中水的質量分數。密度低，水的質量分數高，含固量少，不宜作為型（芯）砂的粘結劑；反之，密度大，粘稠，也不便定量和不利與砂子混合。鑄造上通常採用密度為1.32~1.68克/立方厘米或者波美度35~54三維鈉水玻璃。

含固量：鈉水玻璃的水分W水=（W+G-W'-G'）/W×100%

式中： W—混合物中的鈉水玻璃質量；G—混合物中顆粒材料的質量：

G'—單獨將同樣的顆粒材料烘乾后損失的質量 W'—混合物烘乾至恆重的質量而含固量 S=100-W

粘度：鈉水玻璃的粘度隨其水分，密度和模數而定，對比相關數據我們可以總結得到。

1）當水分和密度大體相同時，模數越小則粘度越大；事實上模數與密度的關係多呈現反向變化，但沒有固定關係。

2）當模數一定時，其粘度隨水分的增大而劇烈下降。

對於鈉水玻璃砂的硬化機理至今還沒準確的定論，但是我們可以提供其不同硬化方式與鈉水玻璃模數，密度的關係以指導生產。

鈉玻璃砂CO是某些車間常用的制芯造型工藝。此法既可以用於大量生產和單件小批生產，也適用於大小型、芯。目前廣泛採用的CO-鈉水玻璃砂，大都有純凈的人造（或天然）石英砂加入4.5%~8.0%的鈉水玻璃配製而成。對於幾十噸的質量要求高的大型鑄鋼件砂型（芯），全部採用面砂或局部採用鎂砂、鉻鐵礦砂，橄欖石砂、鋯砂等特種砂代替石英砂較為有利。有的要求鈉水玻璃砂具有一定濕態強度和可塑性，以便脫模后再吹CO硬化，可以加入1%~3%的膨潤土（質量分數）或3%~6%的普通粘土砂（質量分數）或加入部分粘土砂。為改善出砂性，有的型砂還加入1.5%的木屑（質量分數）或加入5%的石棉砂（質量分數）或加入其它附加物。

鈉水玻璃砂目前存在的問題及解決方法：

1）出砂性差：a）在鈉水玻璃中加入附加物；b）減少鈉水玻璃的用量；c）減低易熔融物質的含量；d）採用以石灰石作原砂的鈉水玻璃CO2自硬砂。

2）鑄鐵件粘砂：a）刷塗料，最好使用醇基塗料；b）一般鑄鐵件也可以在鈉水玻璃中加入適量的煤粉或者適量具有填料性能的高嶺土式粘土

3）型、芯表面粉化（白霜）：a）需要控制吹CO的時間，如果過長時間吹CO則會造成沙礫間存留CO生成過多地碳酸氫鈉；b）據有關工廠的經驗，在鈉水玻璃中加入占砂質量1%左右，密度為1.3克∕立方厘米的糖漿，可以有效防止粉化。

4）砂芯抗吸濕性差：a）在鈉水玻璃砂中加入鋰水玻璃或在鈉水玻璃中加入LiCO、CaCO、ZnCO等無機附加物；b）在鈉水玻璃中加入少量有機材料或加入具有表面活性劑作用的有機物，粘結劑。

5）此外，還存在發氣量大（注意排氣；先烘乾砂芯再澆注）、舊砂再生和回用困難、熱膨脹（加入質量分數4%的高嶺土粘土形式的鋁土）等問題。

新製備的水玻璃是一種真溶液。但是在存放過程中，水玻璃中硅酸要進行縮聚，將從真溶液逐步縮聚成大分子的硅酸溶液，最後成為硅酸凝膠。因此，水玻璃實際上是一種由不同聚合度的聚硅酸組成的非均相混合物，易受其模數、濃度、溫度、電解質含量和存放時間的影響。

水玻璃在存放過程中分子產生縮聚，形成凝膠，其粘結強度隨著貯存時間的延長而逐漸降低，這一現象稱為水玻璃“老化”。“老化”現象可由下述兩組試驗數據來說明：高模數水玻璃（M=2.89，ρ =1.44 g/cm3）貯放20、60、120、180、240 d 后，吹CO硬化的水玻璃砂干拉強度相應下降9.9 %、14 %、23.5 %、36.8 %和40 %；低模數水玻璃（M=2.44，ρ =1.41 g/cm3）貯放7、30、60和90 d 后，干拉強度分別下降4.5 %、5 %、7.3 %和11 %。

水玻璃存放時間對酯硬化水玻璃自硬砂初期強度影響不大，但對後期強度影響明顯，據測定，對於高模數水玻璃下降60 %左右，對於低模數水玻璃下降15 %～20 %。殘留強度也隨存放時間的延長而降低。

水玻璃在存放過程中聚硅酸的縮聚反應和解聚反應同時進行著，分子量發生了歧化，最終生成單正硅酸和膠粒並存的多重分散體系，也就是在水玻璃的老化過程中，聚硅酸的聚合度發生了歧化，單正硅酸和高聚硅酸的含量均隨存放時間的延長而增多。水玻璃在存放中縮聚、解聚反應的結果，使粘結強度下降了，即產生“老化”現象。

影響水玻璃“老化”的因素主要有：存放時間、水玻璃的模數和濃度。存放時間越長，模數越高，濃度越大，則“老化”越嚴重。對久存的水玻璃可以採用多種方法的改性處理，以消除“老化”，使水玻璃恢復到新鮮水玻璃的性能：

1. 物理改性

水玻璃老化是緩慢釋放能量的自發過程，用物理改性處理“老化”的水玻璃就是用磁場、超聲波、高頻或加熱等辦法，向水玻璃體系提供能量，促使高聚合的聚硅酸膠粒重新解聚，促使聚硅酸的分子量重新均勻化，從而消除了老化現象，這就是物理改性的機理。例如，用磁場處理后，水玻璃砂的強度提高了20 %～30 %，減少水玻璃加入量30 %～40 %，節約CO，改善潰散性，有較好的經濟效益。物理改性的缺點是不持久，處理后再貯放，粘結強度又會下降，故適用於鑄造廠處理后儘快使用。尤其是M>2.6 的水玻璃，硅酸分子濃度大，經過物理改性解聚后又會較快地縮聚，最好是處理后立即使用。

2. 化學改性

化學改性是往水玻璃中加入少量化合物，這些化合物均含有羧基、醯胺基、羰基、羥基、醚基、氨基等極性基團，通過氫鍵或靜電將其吸附在硅酸分子或膠粒表面，改變其表面位能和溶劑化能力，提高聚硅酸穩定性，從而阻止“老化”進行。例如往水玻璃中加入聚丙烯醯胺、改性澱粉、聚磷酸鹽等，可取得較好的效果。往普通水玻璃甚至改性水玻璃中摻入有機物可以起到多種作用，如：改變水玻璃的粘流性質；改善水玻璃混和料的造型性能；提高粘結強度，使水玻璃的絕對加入量減少；提高硅酸凝膠的可塑性；降低殘留強度，使水玻璃砂更適用於鑄鐵和有色合金。