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添加剂对水玻璃砂热性能的研究
中文教科书和专著中都称水玻璃是硅酸钠的水溶液，水玻璃是硅酸盐溶液，但硅酸盐溶液并不一定是水玻璃。因此，必须给硅酸盐的水溶液框定一个范围。水玻璃是硅酸盐在水中真溶液(离子和分子分散)和胶体溶液(胶粒分散)并存的体系。水玻璃的通式为 M2O·mSiO2·nH2O，M 为 Na+、K+、Li+、Rb+和 R4N+，m 和 n 必须处在特定的数值范围内。
1.4.2水玻璃的重要参数
水玻璃的主要参数是模数、密度和客盐浓度。 (1)模数
水玻璃中 SiO2 和 Na2O 的摩尔比值，称之为水玻璃的模数，用 m 来表示。 在欧美，也习惯直接用 SiO2 和 Na2O 的百分质量比值来表示模数，称作硅碱比。
(2)浓度和密度
水玻璃的浓度(concentration)是指它的水溶液中含有的 Na2O·mSi02 百分含 量，代号为 C。同时，浓度和水玻璃硅酸钠含量有一定关系(见图 1.3)。
图 1.3 20℃时水玻璃硅酸钠含量和浓度的关系
作为溶剂的氧化硅对密度的影响，通常比氧化钠对密度的影响小些。此外其密度与硅酸钠溶液的模数也有一定关系(见图1.4)
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图 1.4 硅酸钠溶液的模数与其密度的关系
密度的代号为ρ ，国际标准为 103kg/m3。但铸造业仍然沿用两种习惯方法，即 g/cm3 和波美度(用Be来表示)。
硅酸钠溶液的测定，在精确度要求高时，应该用比重法进行。在工业生产上 是用比重计或波美比重计进行测定，一般多用后者。
随着温度的提高，硅酸钠溶液的体积发生膨胀，使密度降低，反之则密度升 高。所以生产中测定的波美度，要校正成温度 293K(20℃)以下的Be。 (3) 水玻璃中客盐含量
水玻璃中的客盐(NaCl、Na2SO4、Na2CO3等)含量，对水玻璃密度、粘度、表面张力、老化速度、硬化速度以及粘结强度都有显著的不良影响，所以是水玻璃的重要参数。
但是，这个问题还没有引起水玻璃生产者和铸造工作者的注意。目前测得的 许多水玻璃和水玻璃砂性状，都是在客盐的存在下测定的，但对于客盐的不良影 响完全被忽视掉了。因此，我们对于水玻璃和水玻璃砂的实际情况，并未很好掌 握。
1.4.3 水玻璃的物理性质 (1) 水玻璃的光散射现象
m>2 的水玻璃，刚制好时没有光散射现象，应该属于真溶液。大约 15min 后 便出现微弱的光散射，随着时间的推移，光散射越来越强。在高模数和高浓度的 情况下，这种倾向更强。丁泽尔现象是胶态离子的特征现象，光散射的出现，说 明系统内不断有胶粒生成。这时因为水玻璃在储藏过程中，含在其中的硅酸能自
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发进行聚合，生成胶粒，并且缓慢的释放能量，这称作水玻璃的“老化”。 (2) 水玻璃的碱性
硅酸钠是由强碱和弱酸生成的盐，在水溶液中容易电离水的电离SiO3 2-与 H+生成电离很小的硅酸Na+与 OH-生成电离度很大的 NaOH所以，整个溶液体系内 OH- 浓度很高，而 H+ 浓度低，呈碱性。低模数的水玻璃 m=(2.1～2.6)，pH 值为(11～13)。
老化的水玻璃中，硅酸的聚合度发生了变化，电离度也发生了微小的变化。 目前还未看到，关于水玻璃在老化过程中 pH 值变化的数据。已知老化的水玻璃电离率减小。聚硅酸钠的溶液在稀释时，pH 值逐渐减小，即酸性有所增强。这是因为，在稀释过程中聚合度不断降低，粘结力不断减小，低聚硅酸不断增多， 解离出更多 H+，使 pH 值下降。 (3) 水玻璃的粘度
水玻璃的粘度很大，且随模数、浓度与客盐含量的不同而变化，但温度对粘 度的影响也很显著。在贮放过程中，粘度因老化而缓慢下降。 (4) 凝固点及冷冻时特征
不同模数及不同浓度的硅酸钠溶液，其凝固点大约在-2～-11℃。模数低， 浓度高时溶液的冰点低。
零度以下时，硅酸钠溶液的粘度剧增，然后析出冰晶体及絮状颗粒，此时， 模数大于 3.0 的硅酸钠溶液，变成白色蛋白质状物质，冰晶体浮于上层，使溶液浓度上下不均。模数小于 3.0 的硅酸钠溶液，即使在冰冻状态下，仍是稠厚的冰状物，硬度不高，具有胶体的性质。
加热并均匀地搅拌冻结的硅酸钠溶液，能恢复冻结前的性质，但会减弱其作为胶凝(防腐用的胶凝)的耐水性。
当硅酸钠溶液的含水量，减少到一定程度时，它的外形就像固体物质。当温 度降到 0℃以下，透明的固体状的高浓度硅酸钠溶液，外表无明显变化，但变得 和玻璃一样，较脆而容易破碎。但温度上升到 O℃以上时，脆性消失，恢复原状。
1.5本课题的研究意义和内容
水玻璃砂的溃散性差是困扰铸造界的一个老、大、难问题，长期未得到很好
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解决，因而阻碍了它的推广和应用。本课题主要通过向水玻璃型砂中添加溃散剂的方法来研究其对型砂溃散性的改善作用，并找出具有良好性能的型砂配方。具体工作包括以下几个方面：
（1）了解水玻璃砂工艺的优越性和问题； （2）评价水玻璃砂溃散性的方法和指标； （3）研究添加剂改善水玻璃砂溃散性的因素； （4）研究添加剂对水玻璃砂热性能的影响；
1.6本论文的结构安排
（1）绪论。
（2）CO2水玻璃砂的硬化研究及其存在的问题：介绍了CO2水玻璃砂的硬化机理，以及CO2水玻璃砂各存在的诸多问题和解决措施。
（3）水玻璃砂溃散性研究试验：主要通过向水玻璃型砂中添加溃散剂的方法来研究其对型砂溃散性的改善作用，并找出具有良好性能的型砂配方。最后通过应力试验，检验水玻璃型砂的溃散效果。确定溃散剂的选用，设计试验验证水玻璃砂受热温度与溃散性之间的关系；进行热分析试验，对比找出具有良好性能的型砂配方。
（4）添加剂水玻璃砂热性能的研究实验：通过对三种配方的水玻璃砂进行DSC热分析实验和热膨胀实验分析各配方优劣之处，找出添加剂对水玻璃砂热性能的影响因素及效果。 （5）结论及展望。
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