三聚磷酸钠对水玻璃的改性作用

作者：信息来源:模具 2008-6-10

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摘要: 三聚磷酸钠与水玻璃在高温下可形成［PO4］、［SiO4］复合玻璃网络，在冷却过程中，由于析出晶体破坏了粘结膜，以及因二者收缩性相差极大而导致粘结膜开裂，使水玻璃(砂)溃散性得以改善。三聚磷酸钠。水玻璃文献标识码： A文章编号： 1000-8365(1999)03-0037-03The ...

摘要: 三聚磷酸钠与水玻璃在高温下可形成［PO₄］、［SiO₄］复合玻璃网络，在冷却过程中，由于析出晶体破坏了粘结膜，以及因二者收缩性相差极大而导致粘结膜开裂，使水玻璃(砂)溃散性得以改善。
关键词： 溃散性；改性；收缩；三聚磷酸钠；水玻璃
文献标识码： A　　文章编号： 1000-8365(1999)03-0037-03

The Modification of Na₅P₃O₁₀ on the Properties of Sodium Silicate

QU Yin-hu¹,ZHOU Yan-bo²
(1.Northwest Institute of Textile Science and Technology,Xi'an 710048, China ；2.Xi'an Jiaotong Univeristy,Xi'an 710049,China)

Abstract： Na₅P₃O₁₀ and sodium silicate can form ［PO₄］ and ［SiO₄］ compound glass network at high temperature. The separation of crystals from the compound glass network destroys the adhesive membrane and the marked contraction difference between the ［PO₄］ and ［SiO₄］ glass network causes the splitation of the adhesive membrane by cooling. Therefore the collapsibility of mixture of silica sand and sodium silicate is improved.
Key Words: Collapsibility; Modification; Contraction; Na₅P₃O₁₀; Sodium silicate

　　水玻璃广泛应用的铸型粘结剂之一，溃散性差是阻碍其进一步扩大应用的最主要因素。三聚磷酸钠可以提高水玻璃的粘结强度，降低高温残留强度，是目前改善水玻璃(砂)溃散性的主要改性剂之一，但对其作用机理尚未进行过深入研究^［1］，本文试图通过各种分析手段和理论分析，对三聚磷酸钠改性水玻璃的作用机理作一探讨。

1　主要试验材料及试验方法
1.1　试验材料　水玻璃是硅酸钠的水溶液，呈碱性，SiO₂＝31.25%,Na₂O=14.23%,模数M=2.2;三聚磷酸钠(Na₅P₃O₁₀)为工业品，水溶液呈碱性。
1.2　试验方法　采用X射线衍射分析、红外光谱分析来研究三聚磷酸钠改性水玻璃的晶相，化学键(或酸根)等；采用扫描电子显微镜来研究三聚磷酸钠改性水玻璃砂粘结膜的裂纹、断裂等形貌。

2　试验结果及分析
2.1　三聚磷酸钠对水玻璃工艺性能的影响
　　由图1可见，三聚磷酸钠可以提高水玻璃砂的CO₂硬化强度，降低水玻璃(砂)的高温残留强度，改善其溃散性。
2.2　三聚磷酸钠在水玻璃中的存在方式
　　三聚磷酸钠加入到水玻璃中后，通过搅拌或搅拌同时加热，易溶解于水玻璃中，形成均匀溶液，期存放不析出，外观无变化。

图1　三聚磷酸钠对水玻璃性能的影响
Fig.1　Content of Na₅P₃O₁₀ vs properties of sodium silicate

　　图2～图4分别是三聚磷酸钠、水玻璃和含8%三聚磷酸钠的水玻璃的红外光谱图。对比图2～图4，由差谱法可见，在含8%三聚磷酸钠的水玻璃的红外光谱图上，并无新的吸收峰出现，而是前两者的叠加。从而可以推断，加入三聚磷酸钠后，在水玻璃中并无新的化合物生成，三聚磷酸钠以分子状态或水解状态存在于水玻璃中。
　　在P₂O₅-SiO₂玻璃中，随成分变化，光谱曲线是逐渐变化的，证明硅氧四面体［SiO₄］与磷氧四面体［PO₄］可以形成复合的、统一的网络^［2］，在水玻璃中加入三聚磷酸钠，经烘干或硬化后得到的玻璃体与此相似(图5)，属于Na₂O-P₂O₅-SiO₂三元系统，P₂O₅以磷氧四面［PO₄］的形式掺入硅氧四面体［SiO₄］之中，与SiO₂共同形成网络结构，从而在一定程度上可以提高水玻璃的粘结强度。
2.3　三聚磷酸钠改性水玻璃熔体冷却后的析出相
　　根据理论分析可知，高温下三聚磷酸钠改性水玻璃熔体倾向于形成相当大的、形状不规则的、短程有序的以［SiO₄］和［PO₄］四面体为网络结构单元的玻璃体，在该玻璃体中［SiO₄］和［PO₄］四面体形成相互交错的、统一的网络^［2-3］，种网络不同于普通水玻璃在高温下所形成的［SiO₄］四面体网络。

图2　三聚磷酸钠的红外光谱图
Fig.2　Infared spectra of　Na₅P₃O₁₀

　图3　2.2M水玻璃的红外光谱图
Fig.3　Infared spectra of 2.2　Msodium silicate

图4　含8%三聚磷酸钠水玻璃的红外光谱图
Fig.4　Infared spectra of sodium silicate　sodium silicatecontaining 8% Na₅P₃O₁₀

图5　含2%三聚磷酸钠水玻璃的X-射线衍射图(查出相为玻璃态)
Fig.5　X-ray diffraction pattern of sodium silicate containing 2% Na₅P₃O₁₀

　　为分析三聚磷酸钠改性水玻璃高温熔体冷却后的晶体，将2%三聚磷酸钠改性水玻璃及8%三聚磷酸钠改性水玻璃在100～120 ℃烘至恒定质量，在800 ℃焙烧25 min后随炉冷至室温的样品进行X射线衍射分析，结果见图6～图7。可见三聚磷酸钠改性水玻璃高温焙烧、冷却后出现少量β-Na₂Si₂O₅、γ-Na₃PO₄晶相。根据Na₂O-P₂O₅-SiO₂三元相图(图8)^［4］，2%三聚磷酸钠与8%三聚磷酸钠改性水玻璃处于同一相区(A区)，即β-Na₂Si₂O₅、γ-Na₃PO₄及5Na₂O*P₂O₅*4SiO₂区，因此可推断三聚磷酸钠改性水玻璃熔体冷却后析出的晶体应为β-Na₂Si₂O₅、γ-Na₃PO₄和5Na₂O*P₂O₅*4SiO₂（检测时可能因为5Na₂O*P₂O₅*4SiO₂的数量小于5%而未能在仪器上检查出)，这些晶相的析出将对水玻璃粘结膜产生一定的破坏、割裂作用，因而，在一定程度上降低水玻璃(砂)的高温残留强度，改善其溃散性。

图6　含2%三聚磷酸钠水玻璃焙烧(800 ℃/25 min)
后的X-射线衍射图(查出晶体相为β-Na₂Si₂O₅)
Fig.6　X-ray diffraction pattern of sodium silicate which contained 2% Na₅P₃O₁₀ and had be heated (800 ℃/25 min)，with its crystal phase being β-Na₂Si₂O₅

2.4　硅酸盐玻璃与磷酸盐玻璃的热膨性差异
　　三聚磷酸钠改性水玻璃熔体网络由［PO₄］和［SiO₄］2种骨架组成，它们的热膨胀性能差别很大，其热膨胀系数分别为αSiO₂＝4.6×10^-7［5］，2.2M钠水玻璃所形成的玻璃体α＝13.46×10^-7［6］，αP₂O₅=87×10^-7［2］，钠磷酸盐玻璃α＝89×10^-7［2］，可见［PO₄］网络或磷酸钠玻璃的热膨胀系数较大，是SiO₂的近20倍，也远大于硅酸盐玻璃。在铸型(芯)浇注后的冷却过程中，三聚磷酸钠改性水玻璃熔体在砂粒上形成的粘结膜所包含的磷酸盐玻璃急剧收缩，而硅酸盐玻璃收缩较慢，从而产生较大应力，导致粘结膜开裂，如图9为含5%改性水玻璃(以2%三聚磷酸钠改性)的石英砂试样经800 ℃/25 min焙烧后的扫描电镜照片)，使水玻璃砂冷却后强度大为下降，即高温残留强度下降，水玻璃砂溃散性得以改善。

图7　含8%三聚磷酸钠水玻璃焙烧(800 ℃/25 min)后的X-射线衍射图(查出晶体相为β-Na₂Si₂O₅和γ-Na₃PO₄)
Fig.7　X-ray diffraction pattern of sodium silicate which contained 8% Naf₅P₃O₁₀ and had be heated (800 ℃/25 min), with its crystal phases being γ-Na₃PO₄ and β-Na₂Si₂O₅

图8　Na₂-SiO₂-P₂O₅三元相图
Fig.8　Phase diagram of system Na₂O-SiO₂-P₂O₅

图9　含2%三聚磷酸钠水玻璃砂样800 ℃/25 min焙烧后断口的扫描电镜照片，CO₂硬化　×336
Fig.9　SEM fractography of the sand mixture which had be heated (800 ℃/25 min),hardened by CO₂

3　结论
　　(1) 三聚磷酸钠易溶于水玻璃，并能与硅酸盐形成［PO₄］、［SiO₄］复合玻璃体网络，可以提高水玻璃粘结强度。
　　(2) 三聚磷酸钠改性水玻璃熔体冷却过程中，由于析出的晶体对粘结膜的破坏、割裂作用，以及磷酸盐玻璃与硅酸盐玻璃的收缩能力相差极大，导致粘结膜开裂，从而使玻璃(砂)高温溃散性得到明显改善。

作者简介： 屈银虎(1962-　)，男，西安，讲师.
作者单位：屈银虎西北纺织工学院，陕西西安 710048
　　　　　周延波　西安交通大学，陕西西安 710049

考文献

［1］　朱纯熙，等.水玻璃添加剂的分类和选用原则［J］.铸造，1997(9)： 50～52
［2］　干福熹，等.光学玻璃［M］.北京：科学出版社，1982.
［3］　浙江大学，等.硅酸盐物理化学［M］.北京：中建筑工业出版社，1980.
［4］　E.M.Levin. phase Diagrams for Ceramists［M］. Amer. Ceram. Soc. New York,1964.
［5］　干福熹.硅酸盐玻璃物理性质变化规律及其计算方法［M］.北京：科学出版社，1966.
［6］　轻工业部设计院.日用化工理化数据手册［M］.北京：轻工业出版社，1981.