X射線熒光光譜法測定水玻璃中主次成分含量

周 正 王 吉 孫 蓉 鄭若鋒

(1 四川西冶新材料股份有限公司，成都 611743；2 四川西冶檢測科技有限公司，成都 611743)

前言

水玻璃俗稱泡花堿，是一種水溶性硅酸鹽，它的用途非常廣泛，幾乎遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門。在化工系統(tǒng)被用來制造硅膠、硅溶膠等各種硅酸鹽類產(chǎn)品，是硅化合物的基本原料；還有用作石油催化裂化的硅鋁催化劑、肥皂的填料、瓦楞紙的膠黏劑、實(shí)驗(yàn)室坩堝等耐高溫材料、金屬防腐劑、水軟化劑、洗滌劑助劑、耐火材料和陶瓷原料、紡織品的漂、染和漿料、礦山選礦、防水、堵漏、木材防火、食品防腐以及制膠黏劑等[1]。

水玻璃在焊接材料中用作黏接劑，高端焊接材料對不同技術(shù)指標(biāo)的水玻璃質(zhì)量要求苛刻，它在焊接材料的抗吸潮、低煙塵等方面的焊接工藝表現(xiàn)尤為獨(dú)特。而國產(chǎn)水玻璃產(chǎn)品單一且品質(zhì)不佳，主要表現(xiàn)在：渾濁、有懸浮物、易分層、顏色深及雜質(zhì)高、性能穩(wěn)定性差，不能滿足特種高端焊接材料研發(fā)和生產(chǎn)需要。因此，對水玻璃質(zhì)量差異的檢測方法就顯得迫切而重要。

對液體水玻璃化學(xué)成分的檢測方法目前一般是采用化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)硅酸鉀鈉》(HG/T2830—2009)和國家標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)硅酸鈉》(GB/T4209—2008)，即用容量法測鉀鈉合量，用差減法減去四苯硼鈉重量法測得的K2O，得到Na2O的含量；SiO2則采用氟化取代滴定容量法進(jìn)行測定。同時(shí) ,水玻璃模數(shù)的快速測定和研究也有一些報(bào)道[2-6],但都是在化學(xué)法上所用試劑的改進(jìn)方面。水玻璃的雜質(zhì)元素Al、Ca、Mg、Fe等則可以通過電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)法測定[7]，這兩種方法綜合起來才能對水玻璃做質(zhì)量評(píng)價(jià)。其過程繁雜、耗時(shí)長，不能滿足水玻璃在線分析和科研要求，因而制約了對水玻璃產(chǎn)品的評(píng)價(jià)和認(rèn)識(shí)。而X射線熒光光譜儀又不能直接對液體水玻璃進(jìn)行測定，因?yàn)閄射線光管大都在待測試樣品測量面的下方，稍有不慎，液體滴落會(huì)燒毀X射線光管。

為解決上訴問題，通過實(shí)驗(yàn)找到了一種能快捷、準(zhǔn)確測定水玻璃的方法。此方法直接將液體水玻璃稱入鉑金坩堝中加入熔劑、氧化劑和脫模劑后烘干、熔融制片后，用X射線熒光光譜法測定水玻璃種多種成分。使水玻璃的測定方法變得簡單、快捷、準(zhǔn)確。方法大量用于產(chǎn)品分析和高端水玻璃產(chǎn)品的研制，均取得良好效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑

Li2B4O7(AR、用前在700 ℃灼燒4 h，取出稍冷，放入干燥器中冷卻待用)、LiBO2(AR)、LiF(AR)、混合熔劑配比(Li2B4O7∶LiBO2∶LiF=4.5∶1∶0.4)、氧化劑(NH4NO3，AR)、脫模劑(LiBr，AR)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

Axios mAX X射線熒光光譜儀(荷蘭帕納科公司)；SST陶瓷超尖銳X射線光管，SuperQ5.0k軟件；TNBDRYL-02電加熱熔樣機(jī)(河南洛陽特耐實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司，熔樣最高溫度1 100 ℃)；鉑金坩堝(Pt 95%、Au 5%)；分析天平(精度0.1 mg)；低溫電爐(1 kW可調(diào)電阻絲爐)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

因?yàn)榭紤]到本方法測定的是水玻璃中Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、K2O、Na2O、SiO2化合物，因此，在坩堝、混合熔劑、氧化劑和脫模劑的選擇上避免選擇含Al、Ca、Mg、Fe、K、Na、Si元素的物質(zhì)，避免對真正測定的成分產(chǎn)生干擾。

一般來說，上照式最大的優(yōu)點(diǎn)在于分析粉末壓片、疏松粉末和液體樣品時(shí)，樣品破損不會(huì)損壞X射線管，但上照式結(jié)構(gòu)裝樣、卸樣比較麻煩，需要一套復(fù)雜的機(jī)械進(jìn)樣裝置，上照式熒光分析樣品到X射線管的距離每次都需要定位，如果出現(xiàn)誤差的話對分析結(jié)果產(chǎn)生很大的影響；下照式不需要復(fù)雜的進(jìn)樣裝置，樣品到X射線管的距離固定，下照式結(jié)果更加有利于空間的利用，并且下照式的檢測準(zhǔn)確度更高，但下照式結(jié)構(gòu)最大的問題在于破損的樣品會(huì)污染X射線管，造成較大損害。因此，本方法通過直接將液體水玻璃熔制成固體樣片，避免液體水玻璃在測定過程中對X射線管的損壞。

1.4 樣品的制備

將0.60 g(精確至0.000 1 g)水玻璃直接稱入熔片專用的鉑金坩堝中，加入5.000 0 g混合溶劑(Li2B4O7∶LiBO2∶LiF=4.5∶1∶0.4)、0.50～1.00 g氧化劑NH4NO3、15～20 mg LiBr，攪拌均勻后放于鉑金坩堝中，低溫電爐上烤干水分。在700 ℃預(yù)氧化3 min，升溫至1 150 ℃，熔融及搖動(dòng)8 min。其間搖動(dòng)坩堝，將氣泡趕盡，使熔融物混勻，然后冷卻，取出樣片，貼標(biāo)簽，置干燥器保存。

2 結(jié)果與討論

2.1 X射線熒光光譜儀工作條件

X射線熒光光譜儀工作最佳條件：75 μm超薄鈹窗，SST陶瓷超尖銳X射線光管，X射線光管射頻功率4.0 kW，工作電流160 mA， 分析軟件為SuperQ5.0k軟件。Axios mAX X射線熒光光譜儀元素測量條件見表1。

表1 帕納科-待測元素測量條件Table 1 Conditions for measuring elements to be measured

2.2 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)與工作曲線

為涵蓋市場水玻璃各主次量成分范圍，選取了5種(SD1-SD5)含量具有代表性的瑞士進(jìn)口高品質(zhì)水玻璃和青島某廠家4種(SD6-SD9)水玻璃產(chǎn)品,以其材質(zhì)書給定的分析結(jié)果為參考，進(jìn)行國家標(biāo)準(zhǔn)檢測方法的復(fù)合驗(yàn)證，其結(jié)果見表2。最后以此樣品作為標(biāo)準(zhǔn)，在給定的元素測量條件下(表1)測定其強(qiáng)度值，然后建立每種成分的工作曲線。

表2 標(biāo)準(zhǔn)樣品測定結(jié)果Table 2 Test result of standard sample /%

2.3 未知樣品的測定

選取12個(gè)未知樣品，在樣品的制備上需要和標(biāo)準(zhǔn)樣品保持一致，以消除制備過程中產(chǎn)生的誤差，避免對結(jié)果產(chǎn)生影響。用X射線熒光光譜法測定制備好的水玻璃樣品中的Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、K2O、Na2O、SiO2含量。同時(shí)采用國家標(biāo)準(zhǔn)法和ICP-AES法測定這12個(gè)樣品的主次量成分含量，其對比結(jié)果見表3。

表3 水玻璃樣國標(biāo)法與本方法測定結(jié)果對比Table 3 Comparison between national standard method and the result of this method /%

2.4 方法的準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)

水玻璃都會(huì)考察其模數(shù)、黏度、穩(wěn)定性。K2O、Na2O、SiO2的含量是影響模數(shù)高低的主要因素，而其它雜質(zhì)元素的多少則會(huì)影響水玻璃的穩(wěn)定性。所以對水玻璃成分含量的準(zhǔn)確測定十分重要。

通過對表4數(shù)據(jù)分析，可以看出，水玻璃中主含量K2O、Na2O、SiO2的測定結(jié)果與國家標(biāo)準(zhǔn)方法的測定結(jié)果吻合，SiO2、K2O、Na2O測定結(jié)果相對偏差分別為≤0.86%、≤1.25%、≤2.45%。而水玻璃中的低含量的雜質(zhì)元素Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3的測定結(jié)果與電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-AES)的結(jié)果基本吻合。

2.5 方法的精密度實(shí)驗(yàn)

在樣品中隨機(jī)抽取一個(gè)樣品，進(jìn)行12次平行制樣、檢測。結(jié)果見表4，其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)在0.38%～14.3%。

表4 隨機(jī)樣品測試結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差Table 4 The RSD of random sample test results /%

3 結(jié)語

方法解決了目前分析水玻璃成分的過程繁雜、耗時(shí)長，測定的成分也有限的弊端，分析結(jié)果與化學(xué)法相符，能夠滿足水玻璃在線分析和科研要求，能對水玻璃產(chǎn)品質(zhì)量作出更加全面的分析。

[1] 康永,侯曉輝,柴秀娟.水玻璃復(fù)合材料應(yīng)用研究的進(jìn)展[J].現(xiàn)代技術(shù)陶瓷(AdvancedCeramics),2011,19(1):51-55.

[2] 蘇小莉,左國強(qiáng),蔡天聰.硅酸鈉模數(shù)測定方法的探究[J].廣州化工(GuangzhouChemicalIndustry), 2011,39(1):118-119,139.

[3] 張憶，操應(yīng)軍,樊新華，等.硅酸鈉含量快速測定方法[J].化學(xué)工程與裝備(ChemicalEngineering&Equipment),2012,41(4):128-130.

[4] 李海濤,張巍.水玻璃模數(shù)快速測定方法[J]. 應(yīng)用能源技術(shù)(AppliedEnergyTechnology),2006,23(8):35-36.

[5] 宋頔.快速滴定硅酸鈉溶液中二氧化硅含量的改進(jìn)[J].化學(xué)工程與裝備(ChemicalEngineering&Equipment),2010,43(8):180-181.

[6] 王福成. 水玻璃模數(shù)測定新方法的探究[J].哈爾濱軸承(JournalofHarbinBearing),2008,36(4):49-50.

[7] 馮曉軍.ICP-AES 法同時(shí)測定硅酸鹽雜質(zhì)抑制劑水玻璃中Na、K、Si、Fe、Al的方法[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)(JournalofWuhanInstituteofTechnology),2011,33(2):55-57.