ケイ酸ナトリウム
ナトリウム2 SiO 3

ケイ酸ナトリウムは、化学式Naの化合物の総称です。2倍シyお2 y + xまたは（Na2O)×· (SiO2）yメタケイ酸ナトリウム（Na2SiO3）、オルトケイ酸ナトリウム（Na4SiO4）、およびピロケイ酸ナトリウム（Na6シ2お7）。陰イオンはしばしば高分子です。これらの化合物は一般に無色透明の固体または白色の粉末で、様々な量で水に溶けます。

ケイ酸ナトリウムは、主にメタケイ酸塩を主成分とする化合物の混合物の専門用語および一般名でもあり、水ガラス、水ガラス、または液体ガラスとも呼ばれます。この製品は、セメント、コーティング剤、防火材、繊維および木材加工、耐火セラミックスの製造、接着剤、シリカゲルの製造など、幅広い用途があります。市販の製品は水溶液または固体で入手可能で、鉄を含む不純物が含まれているため、緑がかった色または青色をしていることが多いです。

工業的には、様々なグレードのケイ酸ナトリウムは、SiO 2 :Na 2 Oの重量比（1.032を乗じることでモル比に変換可能）によって特徴付けられます。この比は1:2から3.75:1の範囲で変化します。[ 1 ]比が2.85:1未満のグレードはアルカリ性と呼ばれます。SiO 2 :Na 2 Oの比が2.85:1より高いグレードは中性と呼ばれます。

歴史

アルカリ金属（ナトリウムまたはカリウム）の可溶性ケイ酸塩は、16世紀のヨーロッパの錬金術師によって観察されていました。ジャンバッティスタ・デッラ・ポルタは1567年に、酒石酸カリウム（酒石クリーム）が粉末状の水晶（石英）をより低い温度で溶かすことを観察しました。[ 2 ]アルカリケイ酸塩に関するその他の初期の言及としては、 1520年にバジル・バレンタイン、[ 3 ]と1550年にアグリコラが行いました。1640年頃、ヤン・バプティスト・ファン・ヘルモントは、砂を過剰のアルカリで溶かすことで作られる可溶性物質としてアルカリケイ酸塩の生成を報告し、溶液に酸を加えることでシリカを定量的に沈殿させることができることを観察しました。[ 4 ]

1646年、グラウバーは炭酸カリウム（酒石灰を焼成して得られる）と砂をるつぼで溶かし、二酸化炭素の発生によって泡立ちが止まるまで溶融状態を保つことで、ケイ酸カリウム（彼はこれをリカー・シリカムと呼んだ）を製造した。この混合物を冷却した後、微粉末になるまで粉砕した。[ 5 ]この粉末を湿った空気にさらすと、徐々に粘性のある液体となり、グラウバーはこれを「Oleum oder Liquor Silicum, Arenæ, vel Crystallorum」（シリカ、砂、または水晶の油または溶液）と呼んだ。[ 6 ]

しかし、後にこれらの錬金術師によって作られた物質は、今日理解されているような水ガラスではなかったと主張されました。[ 7 ]これは1818年にヨハン・ネポムク・フォン・フックスによって、ケイ酸をアルカリで処理することによって作られたもので、その結果、水に溶け、「大気の変化の影響を受けない」ものとなりました。[ 8 ]

「水ガラス」と「可溶性ガラス」という用語は、1846年にレオポルド・ヴォルフによって、 [ 9 ] 1857年にエミール・コップによって、 [ 10 ] 1887年にヘルマン・クレッツァーによって使用されました。 [ 11 ]

1892年、ルドルフ・フォン・ワーグナーは、水ガラスの種類として、ソーダガラス、カリガラス、二重ガラス（ソーダとカリ）、そしてフィクシング（安定化）を区別しました。フィクシング型は「カリガラスで十分に飽和したシリカとケイ酸ナトリウムの混合物」であり、屋外標識や壁画のセメント細工における無機水彩顔料の安定化に使用されました。[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]

プロパティ

ケイ酸ナトリウムは、無色のガラス状または結晶性の固体、あるいは白色の粉末です。ケイ素含有量が非常に高いものを除き、水に容易に溶け、アルカリ性の溶液を生成します。乾燥後も水で再水和することができます。[ 16 ]

ケイ酸ナトリウムは中性およびアルカリ性溶液中で安定しています。酸性溶液中では、ケイ酸イオンが水素イオンと反応してケイ酸を形成し、これは水和二酸化ケイ素ゲルに分解します。加熱して水分を除去すると、シリカゲルと呼ばれる硬くて半透明の物質になり、乾燥剤として広く使用されています。1100℃までの温度に耐えることができます。

生産

ケイ酸ナトリウム溶液は、シリカ（通常は石英砂）、苛性ソーダ、水の混合物を反応器内で高温蒸気で処理することによって製造されます。全体的な反応は、

2 x NaOH + SiO2→ （な2O)×· SiO2+ x水平2お

ケイ酸ナトリウムはシリカSiOを溶解することによっても得られる。2（融点は1713℃）溶融炭酸ナトリウム（851℃で分解して融解する）中の：[ 17 ]

xナ2二酸化炭素3+ SiO2→ （な2O)×· SiO2+ x CO2

この物質は、炭素を還元剤として 硫酸ナトリウム（融点884℃）からも得ることができます。

2 xナ2それで4+ C + 2 SiO2→ 2 (ナ2O)×· SiO2+ 2 SO2+ CO2

1990年には400万トンのアルカ​​リ金属ケイ酸塩が生産されました。[ 1 ]

フェロシリコン

ケイ酸ナトリウムは、フェロシリコンを水酸化ナトリウム水溶液（NaOH·H 2 O）に溶解することで水素製造工程の一部として生成される。 [ 18 ]

2NaOH + Si + H 2 O → Na 2 SiO 3 + 2H 2

バイエル法

Na 2 SiO 3 は利益は生まないものの、バイエル法の副産物であり、多くの場合ケイ酸カルシウム(Ca 2 SiO 4 )に変換されます。

用途

ケイ酸ナトリウムの主な用途は、洗剤、製紙産業（脱墨剤として）、水処理、建設資材などである。[ 1 ]

接着剤

ケイ酸ナトリウムの接着特性は1850年代初頭にすでに注目されており[ 19 ]、少なくとも第一次世界大戦以降は広く利用されてきました。[ 20 ]ケイ酸ナトリウム溶液の最大の用途は、段ボール製造用のセメントです。[ 1 ]製紙用セメントとして使用すると、ケイ酸ナトリウムの接合部は数年以内にひび割れが生じやすく、その時点で紙の表面を接着できなくなります。

ケイ酸ナトリウム溶液は、スピンオン接着層として使用して、ガラス同士を接着したり[ 21 ]、二酸化ケイ素で覆われたシリコンウェハー同士を接着したりすることもできます。[ 22 ]ケイ酸ナトリウムによるガラス同士の接合は、溶融接合とは異なり、低温接合技術であるという利点があります。[ 21 ]また、ガラス同士の陽極接合[ 23 ]では、ナトリウムイオンの拡散バリアとして機能する窒化ケイ素 (SiN) などの中間層が必要ですが、ケイ酸ナトリウムによる接合では、それよりも処理が少なくて済みます。[ 23 ]このような層の堆積には、低圧化学蒸着ステップが必要です。[ 23 ]ただし、ケイ酸ナトリウム接合の欠点は、気泡を除去するのが非常に難しいことです。[ 22 ]これは、この技術では真空が必要なく、陽極接合のように電界補助も使用しないためです。[ 24 ]この電界補助の欠如は、時には有益なことがあり、電界補助によってウェーハ間に非常に強い引力が生じ、薄いウェーハが曲がってナノ流体キャビティやMEMS素子上に倒れる可能性があるからである[ 24 ]。

コーティング

ケイ酸ナトリウムは、溶接棒などに使われるような様々な塗料やコーティング剤に使われます。このようなコーティング剤は2通りの方法で硬化させることができます。1つは、ケイ酸ナトリウムの薄層を加熱してゲル状にし、さらに硬いフィルムにすることです。コーティング剤を耐水性にするには、100 °C (212 °F; 373 K) の高温が必要です。[ 16 ]フィルムを脱水し、蒸気やふくれを防ぐために、温度をゆっくりと150 °C (302 °F; 423 K) まで上げます。このプロセスは比較的ゆっくりと行う必要がありますが、最初は赤外線ランプを使用することができます。[ 16 ]もう1つの方法では、高温が現実的でない場合、ホウ酸、リン酸、フッ化ケイ酸ナトリウム、リン酸アルミニウムなどの化学物質 (またはエステル)によって耐水性を実現できます。[ 16 ]塗布する前に、ケイ酸ナトリウムの水溶液を硬化剤と混合します。[ 16 ]

複合二ケイ酸ナトリウムや改質二ケイ酸ナトリウムなどの洗剤助剤に使用されます。洗剤顆粒はケイ酸塩のコーティングにより堅牢性を得ています。[ 1 ]

水処理

ケイ酸ナトリウムは、下水処理場でミョウバン凝集剤や鉄凝集剤として使用されています。ケイ酸ナトリウムはコロイド分子と結合し、水柱の底に沈む大きな凝集体を形成します。水中に浮遊する微小な負電荷を持つ粒子は、ケイ酸ナトリウムと相互作用します。ケイ酸ナトリウム（負に帯電した2つの陰イオンと2つのナトリウム陽イオン）の添加によってイオン強度が上昇し、粒子の電気二重層が崩壊して凝集します。このプロセスは凝集と呼ばれます。[ 1 ]

鋳物工場、耐火物工場、陶器工場

あらゆる一般的な金属の砂型鋳造において、砂の結合剤として使用されます。主に3つの方法によって、強固な鋳型または中子を迅速に製造することができます。

  • 方法1では、砂型または中子箱内の砂とケイ酸ナトリウムの混合物に二酸化炭素ガスを通します。二酸化炭素はケイ酸ナトリウムと反応して固体シリカゲルと炭酸ナトリウムを形成します。これにより、硬化した砂型を成形型から取り外すのに十分な強度が得られます。砂型内の未反応のケイ酸ナトリウムが脱水することで、強度がさらに高まります。
  • 方法2では、砂とケイ酸ナトリウムの混合物を型枠または中子箱に入れる前に、エステル（酸とアルコールの反応生成物）を添加する必要があります。エステルが液体ケイ酸ナトリウム中の水分から加水分解されると、酸が放出され、液体ケイ酸ナトリウムはゲル化します。ゲルが形成されると、離漿（シネレシス）によって脱水され、ガラス相になります。一般的に使用されるエステルには、グリセロールとエチレングリコールの酢酸エステル、およびプロピレンとエチレングリコールの炭酸エステルなどがあります。エステルの水溶性が高いほど、砂の硬化は速くなります。
  • 方法3では、砂型または中子箱内の砂とケイ酸ナトリウムの混合物をマイクロ波で加熱・脱水します。この方法が効果的に機能するには、成形ツールがマイクロ波を通過する必要があります。ケイ酸ナトリウムは誘電率が高いため、マイクロ波エネルギーを非常に速く吸収します。マイクロ波照射後1分以内に、完全に脱水された砂型を成形できます。この方法は、ケイ酸ナトリウムで結合した砂型で最も高い強度を実現します。

ケイ酸ナトリウムは鋳造中に燃焼しないため（実際には1800°Fを超える鋳込み温度で溶融する）、鋳造後に砂の砕解を促進するために有機物を添加することが一般的です。添加物には、砂糖、デンプン、炭、木粉、フェノール樹脂などがあります。

水ガラスは、バーミキュライトやパーライトなどの固体の有用な結合剤です。後者の軽量成分と混合すると、水ガラスは耐火物、受動防火、および成形パイプ断熱材などの高温断熱材に使用される硬質の高温断熱板の製造に使用できます。バーミキュライトの粉末（剥離プロセスから発生する一般的なスクラップ）などの微細な鉱物粉末と混合すると、高温接着剤を製造できます。微細な鉱物粉末の存在下では膨張性が消失し、水ガラスは単なるマトリックスになります。水ガラスは安価で豊富に入手できるため、多くの耐火物用途で広く使用されています。

ケイ酸ナトリウムは、鋳造用スリップの解膠剤として使用され、粘度を下げ、粘土を液状にするために大量の水を必要とするのを防ぎます。また、轆轤成形で作られる陶芸では、ひび割れのような模様をつけるのにも用いられます。轆轤成形では、比較的細く壁の厚い花瓶や瓶を成形します。作品の一部にケイ酸ナトリウムを刷毛で塗ります。5分後、リブや手で作品の壁を外側に伸ばします。こうして、しわやひび割れのような外観が生まれます。

これはまた、粘土片を接合する際に使用される「魔法の水」の主成分でもあり、特に2つの粘土片の水分レベルが異なる場合に使用されます。[ 25 ]

染料

ケイ酸ナトリウム溶液は、繊維と反応するために高いpH値を必要とする反応性染料を用いた手染めの定着剤として使用されます。綿やレーヨンなどのセルロース系繊維、または絹に染料を塗布した後、乾燥させます。その後、ケイ酸ナトリウムを染色した繊維に塗布し、湿気を保つためにプラスチックで覆い、室温で1時間反応させます。[ 26 ]

修理作業

ケイ酸ナトリウムは、ケイ酸マグネシウムと共に、マフラーの補修・取り付けペーストに使用されます。ケイ酸マグネシウムはケイ酸ナトリウム溶液と混合することで、塗布しやすい濃厚なペースト状になります。内燃機関の排気システムが作動温度まで加熱されると、熱によってペースト内の余分な水分がすべて排出されます。残ったケイ酸塩化合物はガラスのような性質を持ち、一時的に脆い補修材となりますが、ガラス繊維で補強することができます。

ケイ酸ナトリウムは、エンジンのヘッドガスケットの隙間を埋めるのに使用できます。これは、熱による表面のたわみに敏感なアルミニウム合金製シリンダーヘッドに特に有効です。ケイ酸ナトリウムはラジエーターを通して冷却システムに投入され、循環されます。ケイ酸ナトリウムが100～105℃（212～221℉）の「転化」温度に達すると、水分子を失い、810℃（1,490℉）を超える再融点を持つガラスシールを形成します。この補修効果は2年以上持続し、症状は瞬時に消失します。ただし、この補修効果はケイ酸ナトリウムが「転化」温度に達した場合にのみ有効です。また、潤滑油へのケイ酸ナトリウム（ガラス微粒子）の汚染は潤滑油の機能に悪影響を及ぼし、冷却水からオイルへの漏れが発生している状況では、エンジンオイルの汚染が深刻な問題となる可能性があります。

ケイ酸ナトリウム溶液は、自動車エンジンを安価かつ迅速かつ恒久的に機能停止させるために使用されます。エンジンオイルの代わりに、ケイ酸ナトリウム溶液の半米ガロン（約2リットル）をエンジンに注入すると、溶液が沈殿し、数分以内にエンジンのベアリングとピストンに壊滅的な損傷を与えます。[ 27 ]アメリカ合衆国では、この手順は自動車手当還付制度（CARS）プログラムの要件を満たすために使用されました。[ 27 ] [ 28 ]

工事

一部の金庫では、二重の金庫の隙間にケイ酸ナトリウムとおがくずの混合物が使用されています。これにより耐火性が向上するだけでなく、発生する煙により酸素アセチレントーチで開錠することが極めて困難になります。

ケイ酸ナトリウムは、掘削孔壁の安定化と崩壊防止のために掘削泥水によく使用されます。特に、スメクタイトやモンモリロナイトなどの膨潤性粘土鉱物を含む粘土質層を通過する掘削孔において有効です。

ケイ酸ナトリウム溶液で処理したコンクリートは、コンクリート、スタッコ、プラスターなどのほとんどの石材製品の多孔性を低減するのに役立ちます。この効果は水の浸透を減らすのに役立ちますが、水蒸気透過と放出を減らす効果は知られていません。[ 29 ]コンクリート中に存在する過剰な Ca(OH) 2（ポートランド石）と化学反応が起こり、ケイ酸塩が表面に永久的に結合して、はるかに耐久性と撥水性が向上します。この処理は通常、初期硬化が行われた後にのみ適用されます（条件に応じて約 7 日間）。これらのコーティングはケイ酸塩鉱物塗料として知られています。以下は、コンクリートに含まれる水酸化カルシウムとケイ酸ナトリウムが反応して、水和ポルトランドセメントの主成分であるケイ酸カルシウム水和物（CSH）ゲルを形成する例です。 [ 30 ]

ナ2SiO3+ y H2O + x Ca(OH)2→ x CaO.SiO2.y H2O + 2NaOH

クリスタルガーデン

様々な金属塩の結晶を水ガラス溶液に落とすと、有色の金属ケイ酸塩からなる単純または枝分かれした石筍が形成されます。この現象は、20世紀初頭から現在に至るまで、玩具や化学セットのメーカーによって、何世代にもわたる子供たちに教育的な楽しみを提供するために利用されてきました。ケイ酸ナトリウム中に金属塩の結晶が「化学庭園」を形成するという初期の記述は、1946年のModern Mechanix誌に掲載されています。[ 31 ] 使用された金属塩には、銅、コバルト、鉄、ニッケル、マンガンの硫酸塩および／または塩化物が含まれていました。

シーラント

2011年4月、福島第一原子力発電所から放射能汚染水のさらなる漏洩を防ぐため、添加物入りのケイ酸ナトリウムが地中に注入され、地盤が硬化された。[ 32 ]損傷した原子炉を冷却するために使用された水の残留熱が、注入された混合物の硬化を加速させた。

1958年6月3日、世界初の原子力潜水艦であるUSSノーチラス号がエバレットとシアトルを訪問しました。シアトルでは、民間服を着た乗組員が、漏れが発生しているコンデンサーシステムを修理するために、ケイ酸ナトリウム（当初はストップリークと呼ばれていました）を含む自動車用製品140クォート（160リットル）を秘密裏に購入するために派遣されました。ノーチラス号は、潜水状態で北極点を横断するという極秘任務を遂行するため、北極点を目指していました。[ 33 ]

銃器

ケイ酸ナトリウムの接着特性の歴史的な利用法としては、 1851年から1873年、特にアメリカ南北戦争中にコルト社で製造された黒色火薬リボルバー用の紙薬莢の製造が挙げられる。ケイ酸ナトリウムは、黒色火薬を入れる円錐形の紙薬莢を作るために可燃性の硝化紙を密封するために使われ、また、鉛の球または円錐形の弾丸を紙薬莢の開口部に接着するためにも使われた。このようなケイ酸ナトリウムで接着された紙薬莢はリボルバーのシリンダーに挿入され、それによってキャップアンドボール式の黒色火薬リボルバーの再装填が迅速化された。この用途は、1873年以降、真鍮ケースの薬莢を使用するコルト社製のリボルバーが導入されたことでほぼ終了した。[ 34 ] [ 35 ]同様に、ケイ酸ナトリウムは真鍮製の散弾銃薬莢のトップワッドを接着するためにも使われ、それによって散弾銃薬莢をまとめるために真鍮製の散弾銃薬莢の上部をクリンプで固定する必要がなくなった。 1870 年代、アメリカの自給自足農家の間では、真鍮製の散弾銃の薬莢の再装填が広く行われており、卵の保存にも使われていた水ガラスが材料となっていた。散弾銃の薬莢の上部ワッドを固めるには、上部ワッドに水ガラスを 3 ～ 5 滴垂らして真鍮の薬莢に固定していた。散弾銃の薬莢用の真鍮の薬莢は、1877 年頃から紙製の薬莢に取って代わられた。新しい紙製の薬莢の散弾銃の薬莢では、上部ワッドを薬莢に固定するために、水ガラスで固めた接合部の代わりにロール クリンプが使用されていた。しかし、上部ワッドを水ガラスで固めた真鍮製の散弾銃の薬莢は、ほぼ無制限に再装填可能であった (もちろん、火薬、ワッド、散弾が揃っていれば)。一方、真鍮の薬莢に代わった紙製の薬莢は、数回しか再装填できなかった。

食品と医薬品

第一次世界大戦のポスターでは、卵の保存に水ガラスの使用が示唆されている。

ケイ酸ナトリウムなどのケイ酸塩は、「即効性」のしわ取りクリームの主成分です。これらのクリームは、一時的に肌を引き締め、しわや目の下のクマを目立たなくします。これらのクリームを薄く塗布し、数分間乾燥させると、劇的な効果が現れます。ただし、この効果は永続的ではなく、数分から数時間持続します。水セメントのように作用し、筋肉が動き始めるとひび割れて肌に白い残留物を残します。

水ガラスは、主に冷蔵が不可能な場合に、卵の保存剤として大きな成功を収めてきました。産みたての卵をケイ酸ナトリウム（水ガラス）溶液に浸します。溶液に浸した後、卵を取り出して乾燥させます。卵には永久的に気密性のあるコーティングが残ります。その後、適切な環境で保存すれば、腐敗の原因となる細菌の大部分は排除され、水分は保持されます。引用元によると、この方法で処理した卵は最大5ヶ月間新鮮に保つことができます。この方法で保存した卵を茹でると、殻はもはや空気を通さなくなり、蒸気を逃がすために殻に穴を開け（例えばピンで）、卵にひびが入る傾向があります。[ 36 ]

ケイ酸ナトリウムの凝集作用は、コロイド粒子を沈殿させることでワインやビールの清澄化にも利用されています。しかし、清澄剤としてのケイ酸ナトリウムは、チョウザメなどの魚類の乾燥した浮袋から抽出したコラーゲンから作られるアイシングラスと混同されることがあります。卵は水ガラスゲルの入ったバケツで保存することができ、卵の殻も焼いて砕いてワインの清澄化に使われることがあります。[ 37 ]

ケイ酸ナトリウムゲルは、水産養殖場での藻類の増殖のための基質としても使用されています。[ 38 ]

参照

参考文献

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  34. ^ Tom Kelley (1995年8月). 「可燃性紙製ピストルカートリッジの製作と使用」 . 2008年3月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年12月17日閲覧。
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  36. ^新鮮な卵の保存方法。motherearthnews.com
  37. ^ SM Tritton (1956)アマチュアワイン作り。
  38. ^ Bechtold, MF (1955). 「陽イオン交換法による希薄水性ケイ酸の重合と性質」. The Journal of Physical Chemistry . 59 (6): 532– 541. doi : 10.1021/j150528a013 .

さらに読む

  • アシュフォード工業化学辞典、第 3 版、2011 年、8369 ページ。
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