水玻璃是什么？水玻璃化学成分、凝固时间、特性及用途
水玻璃是什么？水玻璃化学成分、凝固时间、特性及用途
水玻璃，又称泡花碱，是一种可溶性的硅酸盐材料，在国民经济中扮演着越来越重要的角色。它不仅在建筑业中应用广泛，还在化工、轻工、纺织、机械等多个领域展现出独特的价值。本文将为您详细介绍水玻璃的化学成分、凝固时间、特性及用途等知识。
水玻璃是什么？
硅酸钠俗称泡花碱、水玻璃，其实并不是玻璃，它是一种可溶性的硅酸盐材料。硅酸钠溶液粘稠，无色无味，酷似玻璃，所以叫水玻璃。注：南方多称水玻璃，北方多称泡花碱。
水玻璃复合材料是一种利废、节能、低污染的高绿色度材料。
水玻璃是碱激发工业废渣胶凝材料中的一种重要原料，而碱激发工业废渣胶凝材料是一种具有极大开发价值和应用前景的环境友好型胶凝材料。
水玻璃化学成分
水玻璃主要的成分是硅酸钠，其是一种可溶性的碱金属硅酸盐材料，是一种矿粘合剂，其化学式为R2O·nSiO2。现在装修建筑中常用到的水玻璃是硅酸钠的水溶液，其的粘结力非常的强，且具有耐热、耐酸性。
水玻璃的化学反应机理
水泥本身的凝结和硬化主要是水泥水化析出凝胶性的胶体物质所引起的，在硅酸三钙的水化过程中产生氢氧化钙：
当加入水玻璃后，水玻璃马上与新生产的氢氧化钙反应，生成具有一定强度的凝胶体水化硅酸钙：
由于氢氧化钙是逐渐生成的，氢氧化钙与水玻璃之间的反应则由于氢氧化钙的注浆生成而连续进行着。水玻璃与氢氧化钙之间的反应是较快的。随着反应的进行，胶质体越来越多，强度也越来越高。
水玻璃的凝固时间
水玻璃在空气中的凝结固化与石灰非常相似，主要通过碳化和脱水结晶固结两个过程来实现。随着碳化反应的进行硅胶含量增加，自由水分蒸发和硅胶脱水成固体SiO2而凝结硬化，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。
在正常情况下，水玻璃的初凝时间大概在10-90分钟之间。但是，如果水玻璃浓度过高或者室温过低，那么初凝时间可能会延长，甚至可能到几个小时。反之，水玻璃浓度过低或室温过高，则会加快初凝时间。
完全凝固时间需要2-24小时不等，具体时间取决于环境温度、湿度、浓度等因素。
水玻璃的种类及组成
水溶性硅酸盐俗称水玻璃，分子通式为M2O·mSiO2·nH2O，M可以是锂、钠、钾、铵等离子，m俗称水玻璃模数，是水玻璃中二氧化硅和碱金属氧化物的摩尔数的比值；n代表含水量。
根据M离子的不同，水玻璃可分别称为锂水玻璃、钠水玻璃、钾水玻璃、铵水玻璃等。锂水玻璃和铵水玻璃价格高，钾水玻璃价格适中，钠水玻璃价格低廉。钾水玻璃和钠水玻璃都有很好的粘结性和成膜性，应用较为广泛。其中，钾水玻璃或钾钠混合水玻璃制备的涂料成膜性比钠水玻璃好。
水玻璃的特性
水玻璃为无色、青绿色或棕色的固体或粘稠类液体。水玻璃的粘结性能良好，硬化时析出的硅酸凝胶可堵塞毛细孔隙而防止水渗透；耐热性好，水玻璃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，乃热度可达1000摄氏度；耐酸性极好，可以抵抗氢氟酸、热磷酸和高级脂肪酸以外的几乎所有无机和有机酸。但，耐碱性和耐水性差。
四大特性
黏结力和强度较高
水玻璃硬化后的主要成份是硅凝胶固体，比先前的表面积大，因而具有较高的黏结力。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。
耐酸性好
水玻璃可以抵抗除氢氟酸（HF）、热磷酸和高级脂肪酸以外的所有有机酸和无机酸。
耐热性好
硬化后形成的二氧化硅为网状骨架，在高温下强度下降很少，当采用耐热、耐火集料配制水玻璃砂浆或混凝土时，耐热度可达1000℃，因此也可以理解为水玻璃混凝土的耐热度主要取决于集料的耐热度。
耐碱性和耐水性差
因混合后易溶于碱，故水玻璃不能在碱性环境中使用。同样由于氟化钠、碳酸钠均溶于水而不耐水，但可采用中等浓度的酸对已硬化的水玻璃进行酸洗处理来提高耐水性。
水玻璃的用途
水玻璃的用途非常广泛，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、五水偏硅酸钠、硅溶胶、层硅及速溶粉状硅酸钠、硅酸钾钠等各种硅酸盐类产品，是硅化合物的基本原料。
在轻工业中是洗衣粉、肥皂等洗涤剂中不可缺少的原料，也是水质软化剂、助沉剂；
在纺织工业中用于助染、漂白和浆纱；
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；
另外可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、实验室坩埚等耐高温材料、金属防腐剂、水软化剂、洗涤剂助剂、耐火材料和陶瓷原料、纺织品的漂、染和浆料、矿山选矿、防水、堵漏、木材防火、食品防腐以及制胶粘剂等。
水玻璃的硬化机理
水玻璃硬化途径可分为以下几种：
直接加热硬化
水玻璃直接加热硬化过程属于物理脱水硬化过程，水玻璃脱水后成为硅酸凝胶硬化。水玻璃凝胶中存在较多的Si-OH键，遇水易溶，则固化物破坏。当温度升高时（80℃）水分子重排并对相邻硅醇基之间的缩合起催化作用，进一步加热至120～130℃，残存的水分子促使硅醇基缩合，而且Si-OH键之间相互脱水缔合，形成Si-O-Si键，这是耐水性极好的三维结构的固化体系。Na+和H+处于三维结构膜的封闭状态中，遇水不溶。固化温度升至200℃以上，即可得到耐水性极好的固化体系。
吹二氧化碳气体硬化
二氧化碳是一种干燥性很强的气体，可以加速钠水玻璃的干燥过程，自由水分蒸发和硅胶脱水成固体二氧化硅而凝结硬化，产生物理的或者玻璃质的黏结。随着碳化反应的进行，硅胶含量增加，即在CO2气体作用下，钠水玻璃与CO2反应产生硅酸凝胶，最后硅酸凝胶脱水固化。而且水玻璃硬化后的机械强度，主要来源于水玻璃的脱水。CO2和水玻璃反应后不仅生成了抗吸湿能力更强的高模数水玻璃，还生成了吸水性差的饱和十水碳酸钠，这些疏水性物质覆盖在砂型表面，将Na+、OH-等吸水性物质包裹起来，提高了砂型的抗吸湿性能。
有机酯的硬化
有机酯的硬化可分为三个过程：a）有机酯在碱性溶液中发生水解；b）与水玻璃发生反应；c）水玻璃进一步失水硬化。酯硬化属于化学硬化，因在硬化过程中产生了硅酸凝胶层，阻挡了水汽侵入，水玻璃砂型吸湿性非常小。因此，适当程度的酯硬化有助于提高砂型的抗吸湿性。有机酯作为水玻璃硬化剂，型砂之间形成的粘结桥如图1所示。
粉末硬化剂硬化
纳米氮化硅具有良好的Na+屏蔽性能，微波条件下，在800℃以上生长的20 nm的Si3N4膜能有效屏蔽Na+侵入，对里层的Na+则有很好的吸收作用；低于800℃时，生长的Si3N4膜，只能防水，不能阻止Na+的沾污；该材料组成结构致密、针孔密度小、掩蔽能力强及密封性好；对外显示的疏水性能好，能够阻止水汽的渗透；介电强度高，介电常数大；导热性好，可以经受热冲击；高温下能构成Si3N4-SiO2-Si体系。纳米氮化硅在102～106Hz有比较大的介电损耗，纳米氮化硅这种强介电损耗是由于界面极化引起的，界面极化则是由悬挂键所形成电偶极矩产生的。因此纳米氮化硅的这些良好性能非常适应于水玻璃砂的硬化。
金属或金属氧化物硬化
粉末金属或金属氧化物硬化剂的共同特点是颗粒细、比表面积大、能吸收水分。这些特点使得硅酸钠水化膜的粘结度增加，产生粘结力。此外，还伴随化学反应的作用。如硅铁粉和水玻璃的固化反应机理为：首先钠水玻璃与水发生反应，生成了NaOH，溶液显弱碱性。同时，因为锌分子与铁分子的存在，在弱碱性的环境下，发生了置换与缩聚反应，生成硅酸锌和硅酸铁。接着吸收空气中的水分和二氧化碳继续反应，主要生成不溶性涂膜和网状硅酸锌络合物，从而聚合成巨大的网络，将涂层与基体连成一体，并使涂层与基体之间有很高的结合力，起到了保护作用，粉末硬化剂与水玻璃形成的粘结桥如图2所示。
加入硅铁粉产生粘结力的原因，主要是OH-被去除，硅酸凝胶聚合脱水，SiO2与Na2O比率变化引起粘度变化。脱水硅酸钠粘结膜中SiO2与Na2O的比率取决于Si的加入量。硅铁粉的加入能放出大量的热，残留水分少，对粘结有利，但硬化过程要析出氢气，常会带来有害后果。
微波硬化
采用微波硬化水玻璃砂，具有强度高、硬化速度快、水玻璃加入量少以及残留强度低等许多优点。微波加热是具有极性的物质分子（砂型中的水分子等）在交变的微波电场作用下，水分子间摩擦发热，使砂型（芯）的温度升高而脱水硬化，此方法不受砂型厚薄不均、复杂程度的影响，各部位能够同时硬化而不会产生过热，同时大幅度提高了水玻璃的粘结效率，在满足使用强度的前提下，使水玻璃的加入量降低。由于水玻璃在吸收微波能后，砂型内硅酸分子和水分子同时高速振荡，温度迅速上升，胶粒热运动加剧并发生凝聚，使硅酸缩合，迅速形成紧密细小、大小均匀的玻璃状硅酸钠网状结构。微波加热功率越高，砂型吸收的能量越多，形成的网状结构就越致密，砂型强度就越大，粘结桥越紧密（如图3所示）。在满足强度条件下，微波硬化水玻璃工艺极大地降低了水玻璃的加入量，从而也解决了水玻璃砂残留强度高的难题。
微波硬化的动力与其他硬化方式存在显著不同，它的优点非常突出，但是也有弊端，主要表现为：①它的热源为微波，而常见的模具材料在微波作用下会有损耗，其配套的模具和砂箱成本很高；②微波硬化水玻璃几乎全是物理过程，虽然砂型获得的强度远高于普通烘干硬化或者脂硬化等砂型，但是吸潮性特别严重，砂型会因为吸潮而完全失去强度。