浅析硅酸钠的模数（上）

崔光军的图书馆 2023-02-26 发布于山东

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一、硅酸钠的模数

硅酸钠，俗称水玻璃或泡花碱，化学式为Na₂O·nSiO₂，其中n为二氧化硅和氧化钠的摩尔数比值，称为模数。模数n是硅酸钠最重要的特性参数，对硅酸钠的物理性质和化学性质有极大的影响。模数越大，硅酸钠越难溶于水，n为1时常温的水即能溶解，n增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；模数越大，二氧化硅含量越多，水玻璃粘度越大；模数越大，碱性越弱，模数越小，碱性越强，一般n<3称为碱性水玻璃，n≧3称为中性水玻璃。除此之外，不同模数的硅酸钠聚合程度不同，导致其水解产物中的硅酸组分也有重大差异。

二、硅酸钠的结构

硅酸钠中的硅氧原子空间构型为正四面体，四个氧原子占据正四面体的各个顶点，硅原子位于正四面体的中心，形成正四面体的基本结构单元，这些基本结构单元可以通过不同的方式结合成链状、环状、层状及立方网络结构的阴离子，如图：

图1 形成的空间几何构型图

这些阴离子通过金属钠离子把它们连接起来，正四面体通过共用不同的氧原子数而形成不同的硅氧集团的阴离子。如、、、等，硅酸钠是这些不同硅氧集团阴离子和钠离子结合成的多种聚合度组分的硅酸盐。通过化验分析所测得的模数仅是SiO₂和Na₂O比例的一个平均数值^[¹^]。

三、硅酸钠的组分和模数的关系

无定型硅酸钠是许多聚硅酸氢钠盐的混合液，生产应用中起主要作用的是其中的聚硅酸及其水解产物。硅酸阴离子有单硅酸（正硅酸）、二硅酸、三硅酸、四硅酸、环四硅酸、环六硅酸、立方八硅酸等低聚合度的硅酸，以及立方八硅酸的缩聚产物（高聚硅酸），硅酸钠溶液是一个介稳体系，其中的聚硅酸均处于复杂的介平衡状态，任何一个组分含量发生变化时，都将打破原有平衡，而建立起新的平衡，换句话说，水玻璃的组分（结构和含量）随时会发生变化。根据前人很多工作，推测硅酸的主要聚合途径如下：

单硅酸（正硅酸）→二硅酸→三硅酸→四硅酸→环四硅酸→立方八硅酸→立方八硅酸缩聚物。朱建飞等人^[²^]研究了贮存时间对硅酸钠存在形式及分布的影响，结果如下表所示：

表1 模数为1的硅酸钠贮放不同时间后的单硅酸、各低聚硅酸和高聚硅酸的含量，%

硅酸	t/d
硅酸	1	30	60	90	120
单硅酸	11.05	14.30	16.51	18.10	19.30
二硅酸	4.02	2.58	1.69	0.98	0.40
三硅酸	1.95	1.25	0.74	0.43	0.20
四硅酸	0.80	0.58	0.39	0.24	0.12
环四硅酸	0.70	0.42	0.24	0.12	0.06
环六硅酸	0.31	0.20	0.14	0.08	0.02
立方八硅酸	1.04	0.64	0.44	0.30	0.22
高聚硅酸	0.23	0.20	0.18	0.18	0.17

图2 模数为1的硅酸那贮存不同时间后的各硅酸含量

模数为1的硅酸钠初始状态单硅酸占总硅酸含量最高，约55%，二硅酸次之，约20%，三硅酸又次之，约10%，三者之和约85%，高聚硅酸最低，仅约1%。随着贮存时间的增加，单硅酸含量越来越高，其余各硅酸含量越来越低。贮存120d后单硅酸约占总硅酸含量的94%。

表2 模数为2的硅酸钠贮放不同时间后的单硅酸、各低聚硅酸和高聚硅酸的含量，%

硅酸	t/d
硅酸	1	30	60	90	120
单硅酸	6.42	7.58	8.36	9.08	9.78
二硅酸	2.45	2.24	2.11	1.90	1.82
三硅酸	1.54	1.35	1.20	1.12	0.94
四硅酸	1.02	0.80	0.66	0.55	0.46
环四硅酸	1.50	1.18	0.91	0.75	0.62
环六硅酸	0.52	1.28	1.12	0.99	0.92
立方八硅酸	4.12	3.35	2.81	2.33	2.00
高聚硅酸	0.4	1.56	2.37	2.98	3.34

图3 模数为2的硅酸那贮存不同时间后的各硅酸含量

模数为2的硅酸钠初始状态单硅酸占总硅酸含量最高，约36%，立方八硅酸次之，约22%，二硅酸又次之，约14%，三者之和约72%，高聚硅酸最低，约2%；随着贮存时间的增加，单硅酸和高聚硅酸含量越来越高，环六硅酸含量先提高后降低，其余都越来越低。贮存120d后，单硅酸含量依然最高，约为49%，高聚硅酸次之，约为17%，四硅酸和环四硅酸最低，分别约为2%、3%。

表3 模数为3的硅酸钠贮放不同时间后的单硅酸、各低聚硅酸和高聚硅酸的含量，%

硅酸	t/d
硅酸	1	30	60	90	120
单硅酸	0.92	3.50	5.46	7.08	8.12
二硅酸	1.72	1.60	1.54	1.42	1.36
三硅酸	1.85	1.65	0.98	0.52	0.18
四硅酸	1.04	0.80	0.60	0.42	0.26
环四硅酸	2.72	1.55	0.86	0.46	0.14
环六硅酸	0.98	0.62	0.38	0.24	0.15
立方八硅酸	8.32	5.16	2.65	1.64	0.96
高聚硅酸	0.88	3.96	6.48	7.53	8.26

图4 模数为3的硅酸那贮存不同时间后的各硅酸含量

模数为3的硅酸钠初始状态立方八硅酸占总硅酸含量最高，约为45%，环四硅酸次之，约为15%，三硅酸又次之，约为10%，三者之和约为70%，高聚硅酸和单硅酸最低，各约为5%。随着贮存时间的增加，单硅酸和高聚硅酸含量越来越高，其余各硅酸越来越低。贮存120d后，高聚硅酸含量最高，约为43%，单硅酸次之，约为42%，三硅酸、环四硅酸、环六硅酸最低，低于1%。

(a)单硅酸

(b)四硅酸

(c)立方八硅酸

(d)高聚硅酸

图5 不同模数硅酸钠中的各硅酸含量随贮存时间的变化

如(a)，不同模数的硅酸钠中的单硅酸含量都随贮存时间的增加而提高，n=2含量变化速率较n=1、3慢；二硅酸至立方八硅酸含量都随贮存时间的增加的而降低，变化趋势基本如(b)、(c)；n=1时，高聚硅酸含量保持1%左右，变化很小，模数越大，其含量变化速率越大。

四、结论

模数是硅酸钠最重要的特性参数，不同模数的硅酸钠性能差异非常大。硅酸钠在生产应用中起主要作用的是水解产物聚硅酸及其钠盐，不同模数的硅酸钠水溶液溶质的组成和分布差异也非常大，各聚硅酸在水溶液中处于一种介稳状态，随这贮存时间的增加，各组分含量逐渐变化，贮存120d后，模数为1时溶质大部分是单硅酸，模数为2时溶质大部分是单硅酸，小部分是高聚硅酸，模数为3时大部分是单硅酸和高聚硅酸。