?1?影響水玻璃“老化”的因素有哪些？如何消除水玻璃“老化”？

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新制備的水玻璃是一種真溶液。但是在存放過程中，水玻璃中硅酸要進行縮聚，將從真溶液逐步縮聚成大分子的硅酸溶液，最后成為硅酸凝膠。因此，水玻璃實際上是一種由不同聚合度的聚硅酸組成的非均相混合物，易受其模數、濃度、溫度、電解質含量和存放時間的影響。

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水玻璃在存放過程中分子產生縮聚，形成凝膠，其粘結強度隨著貯存時間的延長而逐漸降低，這一現象稱為水玻璃“老化”。

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“老化”現象可由下述兩組試驗數據來說明：高模數水玻璃（M=2.89，ρ=1.44g/cm3）貯放20、60、120、180、240天后，吹CO2硬化的水玻璃砂干拉強度相應下降9.9%、14%、23.5%、36.8%和40%；低模數水玻璃（M=2.44，ρ=1.41g/cm3）貯放7、30、60和90天后，干拉強度分別下降4.5%、5%、7.3%和11%。

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水玻璃存放時間對酯硬化水玻璃自硬砂初期強度影響不大，但對后期強度影響明顯，據測定，對于高模數水玻璃下降60%左右，對于低模數水玻璃下降15~20%。殘留強度也隨存放時間的延長而降低。

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水玻璃在存放過程中聚硅酸的縮聚反應和解聚反應同時進行著，分子量發生了歧化，最終生成單正硅酸和膠粒并存的多重分散體系，也就是在水玻璃的老化過程中，聚硅酸的聚合度發生了歧化，單正硅酸和高聚硅酸的含量均隨存放時間的延長而增多。水玻璃在存放中縮聚、解聚反應的結果，使粘結強度下降了，即產生“老化”現象。

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影響水玻璃“老化”的因素主要有：存放時間、水玻璃的模數和濃度。存放時間越長，模數越高，濃度越大，則“老化”越嚴重。

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對久存的水玻璃可以采用多種方法的改性處理，以消除“老化”，使水玻璃恢復到新鮮水玻璃的性能：

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1、物理改性

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水玻璃老化是緩慢釋放能量的自發過程，用物理改性處理“老化”的水玻璃就是用磁場、超聲波、高頻或加熱等辦法，向水玻璃體系提供能量，促使高聚合的聚硅酸膠粒重新解聚，促使聚硅酸的分子量重新均勻化，從而消除了老化現象，這就是物理改性的機理。例如，用磁場處理后，水玻璃砂的強度提高了20~30%，減少水玻璃加入量30~40%，節約CO2，改善潰散性，有較好的經濟效益。

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物理改性的缺點是不持久，處理后再貯放，粘結強度又會下降，故適用于鑄造廠處理后盡快使用。尤其是M>2.6的水玻璃，硅酸分子濃度大，經過物理改性解聚后又會較快地縮聚，最好是處理后立即使用。

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2、化學改性

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化學改性是往水玻璃中加入少量化合物，這些化合物均含有羧基、酰胺基、羰基、羥基、醚基、氨基等極性基團，通過氫鍵或靜電將其吸附在硅酸分子或膠粒表面，改變其表面位能和溶劑化能力，提高聚硅酸穩定性，從而阻止“老化”進行。

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例如往水玻璃中加入聚丙烯酰胺、改性淀粉、聚磷酸鹽等，可取得較好的效果。

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往普通水玻璃甚至改性水玻璃中摻入有機物可以起到多種作用，如：改變水玻璃的粘流性質；改善水玻璃混和料的造型性能；提高粘結強度，使水玻璃的絕對加入量減少；提高硅酸凝膠的可塑性；降低殘留強度，使水玻璃砂更適用于鑄鐵和有色合金。

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3、物理—化學改性

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物理改性適宜于已“老化”的水玻璃，改性后立即使用。化學改性適宜于處理新鮮水玻璃，改性后的水玻璃可較長時間的存放。物理改性與化學改性結合起來，能使水玻璃具有持久的改性效果，例如在高壓釜中加聚丙烯酰胺來改性“老化”的水玻璃效果很好，其中利用高壓釜的壓力和攪拌是屬于物理改性，加聚丙烯酰胺是化學改性。

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2?如何防止CO2吹氣硬化水玻璃砂型（芯）表面粉化？

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鈉水玻璃砂吹CO2硬化并放置一段時間后，有時在下型（芯）表面會出現象白霜一樣的物質，嚴重降低該處表面強度，澆注時易產生沖砂缺陷。根據分析，這種白色物質的主要成分是NaHCO3，可能是由于鈉水玻璃砂中含水分或CO2過多而引起的，其生成的反應如下：

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　　Na2CO3+H2O→NaHCO3+NaOH

　　Na2O+2CO2+H2O→2NaHCO3

　　NaHCO3易隨水分向外遷移，使型、芯表面出現類似霜的粉狀物。

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解決的方法如下：

　　1、控制鈉水玻璃砂的水分不要偏高（特別是雨季和冬季）。

　　2、吹CO2時間不宜過長。

　　3、硬化的型、芯不要久放，應及時合型澆注。

　　4、在鈉水玻璃砂中加入占砂1%（質量分數）左右、密度為1.3g/cm3的糖漿，可以有效地防止表面粉化。

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3?如何提高水玻璃砂型（芯）抗吸濕性？

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用CO2或加熱等方法硬化的鈉水玻璃砂芯，裝配在粘土濕型中，如果不及時澆注，砂芯強度將急劇降低，不僅可能出現蠕變，甚至斷塌；在潮濕的環境中儲放的砂芯，強度也明顯降低。表1為CO2硬化鈉水玻璃砂芯在相對濕度為97%環境中放置24h時的強度值。在潮濕環境中存放失去強度的原因，是由于鈉水玻璃重新發生水合作用。鈉水玻璃粘結劑基體中的Na+與OH—吸收水分并浸蝕基體，最后使硅氧鍵Si—O—Si斷裂，致使鈉水玻璃砂粘結強度顯著降低。

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表1?鈉水玻璃砂芯在高濕度環境存放對其強度的影響

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?水玻璃模數M 　 ? ?性能 　　硬化方法	2.00	2.40	2.58
	抗拉強度/ MPa
CO2硬化1h后	0.41	0.34	0.34
CO2硬化1h后，再在相對濕度 　　為97%的環境中存放24h	0	0.21	0.2?

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解決此問題的措施有：

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1、在鈉水玻璃中加入鋰水玻璃，或在鈉水玻璃中加入Li2CO3、CaCO3、ZnCO3等無機附加物，由于能形成相對不溶的碳酸鹽和硅酸鹽，以及可減少游離的鈉離子，因而可改善鈉水玻璃粘結劑的抗吸濕性。

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2、在鈉水玻璃中加入少量有機材料或加入具有表面活性劑作用的有機物，粘結劑硬化時，鈉水玻璃凝膠內親水的Na+和OH—離子或為有機憎水基取代，或相互結合，外露的為有機憎水基，從而改善吸濕性。

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3、提高水玻璃模數，因為高模數水玻璃的抗吸濕性比低模數水玻璃強。

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4、在鈉水玻璃砂中加入淀粉水解液。更好的方法是采用淀粉水解液對鈉水玻璃改性。

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4 CO2吹氣硬化水玻璃—堿性酚醛樹脂砂復合工藝有何特點？

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近幾年來，有些中小企業為提高鑄鋼件質量；急需采用樹脂砂工藝，但是由于經濟能力有限，無力購置樹脂砂再生設備，舊砂不能再生回用，生產成本高。為了尋找一條既提高鑄件質量又不過多增加成本的有效途徑，可結合CO2吹氣硬化水玻璃砂和CO2吹氣硬化堿性酚醛樹脂砂的工藝特點，采用CO2吹氣硬化水玻璃—堿性酚醛樹脂砂復合工藝，用堿性酚醛樹脂砂作面砂，用水玻璃砂作背砂，同時吹CO2硬化。

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CO2—堿性酚醛樹脂砂所用的酚醛樹脂是由苯酚和甲醛在強堿性催化劑作用下縮聚，并添加耦合劑而制成。其PH值≥13，粘度≤500mPa?s。酚醛樹脂在砂中的加入量為3%~4%（質量分數）。當CO2流量為0.8~1.0m3/h時，最佳吹氣時間為30~60s；吹氣時間過短則砂芯硬化強度低；吹氣時間過長，砂芯強度并不隨之增長，而且浪費氣體。

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CO2—堿性酚醛樹脂砂不含N、P、S等有害元素，因此杜絕了這些元素引起的鑄造缺陷如氣孔、表面微裂紋等；澆注時不釋放H2S、SO2等有害氣體，有利于環境保護；潰散性好，極易清理；尺寸精度高；生產效率高。

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CO2吹氣硬化水玻璃—堿性酚醛樹脂砂復合工藝可廣泛用于鑄鋼件、鑄鐵件、銅合金和輕合金鑄件。

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該復合工藝是一種簡便的工藝方法，其過程為：先將樹脂砂和水玻璃砂分別混制好后，裝入兩個砂斗；再將混制好的樹脂砂作為面砂加入砂箱并舂實，面砂層厚度一般為30~50mm；然后加入水玻璃砂作背砂填充緊實；最后向鑄型內吹CO2氣體進行硬化。

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吹氣管的直徑一般為25mm，可硬化的范圍為吹管直徑的6倍左右。

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吹氣時間取決于砂型（芯）的尺寸大小、形狀、氣體流量、排氣塞面積的大小。一般吹氣時間控制在15~40s。

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吹硬砂型（芯）后即可取模。砂型（芯）的強度上升速度快。取模后半小時內刷上涂料，4小時后即可合箱澆注。

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該復合工藝特別適合于沒有樹脂砂再生設備而又要生產高品質鑄件的鑄鋼廠，工藝操作簡便，易于進行工藝控制，生產的鑄件與其它樹脂砂生產的鑄件質量相當。

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CO2吹氣硬化水玻璃砂也可與CO2吹氣硬化聚丙烯酸鈉樹脂砂復合，用于生產高品質的各種鑄件。

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5 CO2-有機酯復合硬化水玻璃砂工藝有何利弊？

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近年來，CO2-有機酯復合硬化水玻璃砂工藝有擴大應用的趨勢。其工藝過程是：在混砂時加入一定數量的有機酯（一般為正常需要量之半或水玻璃重量的4~6%）；造型完成后，吹CO2硬化到脫模強度（一般要求抗壓強度0.5MPa左右）；脫模后，有機酯繼續硬化，型砂強度以較快速度升高；吹完CO2再放置3~6h后，砂型即可進行合箱和澆注。

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其硬化機理是： ?? ? ? ? ? ? ?

水玻璃砂吹CO2時，在氣體壓力差及濃度差的作用下，CO2氣體將力圖向型砂各方向流動，CO2氣體與水玻璃接觸后，立即與之反應生成凝膠。由于擴散作用，反應總是從外向里，外層先形成一層凝膠薄膜，阻礙CO2氣體和水玻璃繼續進行反應。因此在短時間內，無論采用何種方法控制CO2氣體，使其和全部水玻璃反應是不可能的。據分析，當型砂達到最佳吹氣強度時，和CO2氣體反應的水玻璃約為65%，這就是說水玻璃沒有充分發揮粘結作用，至少有35%以上的水玻璃沒有反應。而有機酯硬化劑能與粘結劑形成均勻的混合物，能充分發揮粘結劑的粘結作用，型芯砂的所有部分都以相同的速度建立強度。

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提高水玻璃加人量，砂型終強度將增加，但是其殘留強度也會增加，導致清砂困難。而水玻璃加入量過少時，其終強度過小，達不到使用要求。在實際生產中，一般把水玻璃加入量控制在4%左右。

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單獨用有機酯硬化時，一般有機酯的加人量為水玻璃量的8~15%。而采用復合硬化時，吹CO2時估計已有一半左右的水玻璃硬化，還有一半左右的水玻璃還沒有硬化。所以有機酯的加人量占水玻璃加人量的4~6%是比較合適的。

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采用復合硬化法，可以充分發揮CO2硬化和有機酯硬化的雙重優點，并能使水玻璃的粘結作用充分發揮出來，達到硬化速度快，起模早，強度高，潰散性好，成本低的綜合效果。

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但是CO2-有機酯復合硬化工藝需要比單純的有機酯硬化法多加0.5~1%水玻璃，這將給水玻璃舊砂的再生增大難度。

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6?為什么采用水玻璃砂工藝生產鑄鐵件時容易產生粘砂？如何防止？

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用鈉水玻璃砂制造的砂型（芯）澆注鑄鐵件時，常產生嚴重粘砂，這限制了它在鑄鐵生產中的應用。

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鈉水玻璃砂中的Na2O、SiO2等與液態金屬在澆注時產生的鐵的氧化物，形成低熔點的硅酸鹽。前已述及，如果這種化合物中含有較多易熔性非晶態的玻璃體，那么這層玻璃體與鑄件表面結合力很小，而且收縮系數與金屬也不相同，它們之間就會有較大應力，易于從鑄件表面清除，不產生粘砂。如果在鑄件表面形成的化合物中SiO2含量高，FeO、MnO等含量少，它的凝固組織基本上具有晶體結構，會與鑄件牢固地結合在一起，就產生粘砂。

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鈉水玻璃砂生產鑄鐵件時，由于鑄鐵件澆注溫度低，碳含量高，鐵、錳等不易氧化，形成的粘砂層呈晶體結構，而且鑄鐵件與粘砂層之間難以建立起適宜的氧化鐵層厚度，鑄件與粘砂層間不像樹脂砂生產鑄鐵件時能夠通過樹脂熱解產生光亮碳膜，所以粘砂層不易清除。

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為了防止鈉水玻璃砂生產鑄鐵件時產生粘砂，可采用合適的涂料。如用水基涂料，涂刷后需進行表面烘干，故最好采用醇基快干涂料。

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一般鑄鐵件也可在鈉水玻璃砂中加入適量的煤粉（如3%~6%）（質量分數），使鑄件與粘砂層間能夠通過煤粉的熱解產生光亮碳膜，由于它不被金屬及其氧化物所潤濕，使得粘砂層容易從鑄件上剝離下來。

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7?水玻璃砂有望成為無廢砂排放的環保型型砂嗎？

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水玻璃無色、無臭、無毒，沾于皮膚和衣服后用水沖洗即無大礙，但必須避免濺入眼中。水玻璃在混砂、造型、硬化和澆注過程中都沒有刺激性或有害氣體釋出，沒有黑色和酸性污染。但若工藝失當，水玻璃加入過多，水玻璃砂的潰散性便不好，清砂時粉塵飛揚，也會造成污染。同時，舊砂再生困難，廢砂的排放造成對環境的堿性污染。

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如果能克服這兩個難題，水玻璃砂便可成為基本沒有廢砂排放的環保型型砂。

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解決這兩個問題的根本措施是：將水玻璃的加入量降低到2%以下，基本上可以震動落砂。當水玻璃加入量減少，舊砂中殘留Na2O也減少，使用比較簡易的干法再生，有可能將循環砂中殘留Na2O量維持在0.25%以下。此再生砂可滿足中小型鑄鋼件單一型砂的應用要求。此時，水玻璃舊砂即使不采用費用高昂、步驟繁復的濕法再生，而用比較簡易便宜的干法再生，也可以做到全額再生利用，基本不再有廢砂排放，砂鐵比可降到1∶1以下。

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8?水玻璃砂如何有效再生？

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若水玻璃舊砂中殘留Na2O過高，加入水玻璃混砂后，型砂沒有足夠的可使用時間，而且過多的Na2O積累，會惡化石英砂的耐火度。因此水玻璃舊砂再生時要盡可能地去除殘留Na2O。