水玻璃粘结剂价格低廉，来源充足，同时无色、无味、无毒，在环保要求日益严格的今天，水玻璃粘结剂可以实现绿色铸造生产，很多工厂都在采用水玻璃粘结剂生产线，应用非常广泛。衡量水玻璃粘结剂性能的技术指标有很多，模数是其中最重要的一个^[1~2]。

 

1、水玻璃粘结剂的模数的定义

水玻璃粘结剂的一个重要参数就是模数（modulus），它是水玻璃中SiO₂和Na₂O的物质的量之比，一般用m表示为：

m＝n_(SiO2)/n_(Na2O)    …………………………………（1）

   式（1）中，n_（SiO2）表示水玻璃中SiO₂的物质的量，

n_（Na2O）表示水玻璃中Na₂O的物质的量。

   模数对水玻璃粘结剂的粘度、固化速度和粘结强度提高率都有影响^[1]。

 

2、水玻璃模数测定的理论依据

水玻璃的模数虽然是一个很重要的参数，但很多工厂往往很难准确的测定这个重要的参数，导致很多工艺特别是型砂固化工艺不尽如人意，同时对旧砂的回收也有很大的影响。水玻璃模数测定一般采用以下理论：用标准的盐酸溶液滴定总碱度，盐酸与水玻璃生成硅酸（PH≈4）,正好在甲基红的变色范围内（PH=3.1～4.4），测出所耗的盐酸可知Na₂O的含量，再在已测出Na₂O含量的溶液中加NaF，反应所产生的HCl用NaOH滴定，用返滴法测出NaOH的量就可知道SiO₂的物质的量，再用n_(SiO2)/n_(Na2O)即可测定其模数。试验中为消除NaF的碱性影响，要做空白试验。在不加入待测试样的情况下，按所选用的测定方法，以同样条件、同样试剂进行分析，降低器皿和引入的试剂所引入的系统误差，这种方法叫空白试验^[3]。化学反应如下：

Na₂O·mSiO₂+2HCl+(m-2)H₂O=2NaCl+mH₂SiO₃

n_(Na2O)=0.5×M₁V₁

H₂SiO₃+6NaF+H₂O=Na₂SiF₆+4NaOH     NaOH+HCl=NaCl+H₂O

即  SiO₂   ～   4HCl

  n_(SiO2)=0.25×M₂(V₂-V₃－V₄)

这样模数的计算表达式为：

m= n_(SiO2)/n_(Na2O)=0.5×M₂(V₂-V₃-V₄)/ M₁V₁=0.5×(V₂-V₃-V₄)/ V₁       ………………（2）

(试验设计中，选定M₁=M₂，可以简化结果)

式中M₁是标准盐酸的浓度，M₂是标准氢氧化钠的浓度，V₁是第一次消耗的盐酸标准溶液的体积，V₂是第二次消耗的盐酸标准溶液的体积，V₃是第三次消耗氢氧化钠标准溶液的体积，V₄是空白试验消耗的标准盐酸的体积。

 

3、模数常见的测定方法及其测不准的原因

常见的测定方法大多参照国家标准测试方法^[4]：称取约5g的水玻璃固体试样(也有改进的实验方案是直接用玻璃棒蘸取约1g左右的水玻璃试样^[5]，还有的用玻璃棒蘸取试样3～4滴^[6])，放入250mL容量瓶中制样。取试液50mL置于300mL的锥形瓶内，加10滴甲基红指示剂，用盐酸标准溶液滴定至溶液由黄色变成微红色为终点。记下所消耗的盐酸标准溶液的读数V₁。在上述测定氧化钠的试液中，加入3g±0.1gNaF，摇动使其溶解。此时溶液又变为黄色，立即用浓度为0.5mol/L盐酸标准溶液滴定至红色不变，再过量2～3mL，准确记录盐酸标准滴定溶液的总体积（V₂）。然后，用NaOH标准溶液返滴至黄色为终点；同时，做空白试验，即在250mL的锥形瓶中，加入约50mL水、10滴甲基红乙醇指示剂，加入3g±0.1gNaF，立即用盐酸标准溶液滴定至红色不变，再过量2～3mL，准确记录盐酸标准滴定溶液的总体积。最后，用NaOH标准溶液滴定至黄色为终点。这样可以计算出空白试验消耗的盐酸体积V₄。

但是在工厂检验实际操作，检验人员往往感觉到根据标准方法准确测定模数很困难，仔细分析测不准的原因，大致有以下五个方面：

（1）取样过多。上述参照国标方法的样品是固体的，而工厂的样品往往是液体，故而容易取样过度，导致水玻璃样品的质量大于5g；

（2）取样量不固定。即便是改进的方案^[5~6]，由于用每次取用的量也是用玻璃棒蘸取试样，取样量不固定，测定结果偏差很大，难以控制V₁、V₂的范围。

（3）过于简化，没有做空白试验。在测定模数的试验中，为了消除NaF的碱性影响必须要做空白试验的。

（4）反应不完全。NaF不仅溶解很慢且溶解度不大，其溶解度0℃为4g/100g水，100℃为5g/100g水，导致NaF和SiO₂反应不充分(检验NaF是否和SiO₂反应完全的方法是将反应溶液加热，然后静置一天，看看有没有SiO₂胶体生成，有则反应不完全)；

（5）测定SiO₂试验的滴定终点很难确定。国标规定“溶液由黄色变成微红色为终点”，但是颜色的改变是渐变的，而且红色浅的程度用肉眼很难确定，长时间的观察颜色更会引起视觉疲劳。

4、水玻璃模数测定新方法

针对以上五个问题特别是最后两个方面的疏忽，笔者设计了一套如下的快速准确的测定方案。

（1）NaF过饱和热溶液准备。称取15gNaF加入盛有250mL水的烧杯中，加热到60℃~90℃恒温制成过饱和热溶液。

（2）待测水玻璃溶液准备。在NaF溶液升温期间，取待测（水玻璃）液体试样10mL（若是固体试样，则取5g；如果待测试样的波美度低于40，可适当增大待测试样的用量），再加入到500mL的容量瓶中制样。

（3）进行空白试验。取已经加热好的NaF溶液50mL加入到锥形瓶中，加入10滴甲基红乙醇指示剂，溶液成为黄色，再滴加HCl滴定至红色不变，过量2～5mL；然后用NaOH返滴至黄色出现，滴定终点的确认采用PH试纸，对要求更精确的模数测定试验，采用PH计测定PH值，测出碱性液消耗的HCl体积V₄（经验值可以定为4.4mL左右，PH值在6.0左右）。

（4）滴定测试，计算模数。取5mL待测水玻璃溶液加入到锥形瓶中，再加入10滴甲基红乙醇指示剂，用0.5mol/L盐酸标准溶液滴定至溶液由黄色变成微红色为终点，记下所消耗的盐酸标准溶液的体积V₁，即测定出了Na₂O的含量。然后加入50 mL上述过饱和NaF溶液，振荡锥形瓶溶液颜色变黄，滴加标准盐酸直至溶液由黄色变成红色，再多滴加2～5mL，记下第二次所消耗盐酸标准溶液体积V₂。返滴NaOH，边滴边用PH试纸测定溶液的PH值，直至PH值与空白试验样品的PH值相同，读出消耗的NaOH体积V₃。重复这个步骤做三次平行实验，分别记下V₁、V₂、V₃的值，运用公式（2）就能测定出待测试样的模数。

 

5、新方案和常规测试方案的测试效果比较

选用一种（低模）水玻璃，进行模数测试比较，测试结果如表1所示。测试结果的波动值用△来衡量，△＝（测定结果的最大值－测定结果的最小值）。△值越小，表明测试结果越准确，也越接近真实值。

 

表1   水玻璃模数（低模）的测定举例（单位mL）

方案	V1	V2	V3	V4	m	平均m	测试时间
新方案	6.90	33.00	7.40	4.40	1.536	1.538， Δ=0.07	约2h
	7.00	33.40	7.50		1.536
	6.90	33.20	7.50		1.543
传统 方案	6.90	33.10	6.30	做空白试验时， V4＝4.40	1.623	1.417， Δ=0.275	约4h
	6.90	33.20	8.90		1.442
	6.90	33.00	10.00		1.348

 

6、方案评价

　此法的优点较多，主要归纳如下：

（1）测定快捷。由于采用热的过饱和NaF溶液，反应温度高、接触面积大，测试快捷。

（2）测定准确。通常的水玻璃模数测定试验中，一般都是Na₂O的含量测定很准确，而SiO₂的含量测定不太准确，故导致模数的测定结果偏差很大；采用本方法可使SiO₂含量测定准确。

（3）测试稳定。每次取用的水玻璃一样，每次加入的NaF一样，空白试验和样品测定试验的终点的PH值相同。因此取样定量准确，每次的测试结果偏差很小，对平行试验很有利。

转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自汪华方科学网博客。
链接地址：https://m.sciencenet.cn/blog-437124-320952.html

上一篇：做科研与做生意
下一篇：目前被EI核心板收录的中国期刊