X射线荧光光谱法测定水玻璃中主次成分含量

周 正 王 吉 孙 蓉 郑若锋

(1 四川西冶新材料股份有限公司，成都 611743；2 四川西冶检测科技有限公司，成都 611743)

前言

水玻璃俗称泡花碱，是一种水溶性硅酸盐，它的用途非常广泛，几乎遍及国民经济的各个部门。在化工系统被用来制造硅胶、硅溶胶等各种硅酸盐类产品，是硅化合物的基本原料；还有用作石油催化裂化的硅铝催化剂、肥皂的填料、瓦楞纸的胶黏剂、实验室坩埚等耐高温材料、金属防腐剂、水软化剂、洗涤剂助剂、耐火材料和陶瓷原料、纺织品的漂、染和浆料、矿山选矿、防水、堵漏、木材防火、食品防腐以及制胶黏剂等[1]。

水玻璃在焊接材料中用作黏接剂，高端焊接材料对不同技术指标的水玻璃质量要求苛刻，它在焊接材料的抗吸潮、低烟尘等方面的焊接工艺表现尤为独特。而国产水玻璃产品单一且品质不佳，主要表现在：浑浊、有悬浮物、易分层、颜色深及杂质高、性能稳定性差，不能满足特种高端焊接材料研发和生产需要。因此，对水玻璃质量差异的检测方法就显得迫切而重要。

对液体水玻璃化学成分的检测方法目前一般是采用化工行业标准《工业硅酸钾钠》(HG/T2830—2009)和国家标准《工业硅酸钠》(GB/T4209—2008)，即用容量法测钾钠合量，用差减法减去四苯硼钠重量法测得的K2O，得到Na2O的含量；SiO2则采用氟化取代滴定容量法进行测定。同时 ,水玻璃模数的快速测定和研究也有一些报道[2-6],但都是在化学法上所用试剂的改进方面。水玻璃的杂质元素Al、Ca、Mg、Fe等则可以通过电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)法测定[7]，这两种方法综合起来才能对水玻璃做质量评价。其过程繁杂、耗时长，不能满足水玻璃在线分析和科研要求，因而制约了对水玻璃产品的评价和认识。而X射线荧光光谱仪又不能直接对液体水玻璃进行测定，因为X射线光管大都在待测试样品测量面的下方，稍有不慎，液体滴落会烧毁X射线光管。

为解决上诉问题，通过实验找到了一种能快捷、准确测定水玻璃的方法。此方法直接将液体水玻璃称入铂金坩埚中加入熔剂、氧化剂和脱模剂后烘干、熔融制片后，用X射线荧光光谱法测定水玻璃种多种成分。使水玻璃的测定方法变得简单、快捷、准确。方法大量用于产品分析和高端水玻璃产品的研制，均取得良好效果。

1 实验部分

1.1 主要试剂

Li2B4O7(AR、用前在700 ℃灼烧4 h，取出稍冷，放入干燥器中冷却待用)、LiBO2(AR)、LiF(AR)、混合熔剂配比(Li2B4O7∶LiBO2∶LiF=4.5∶1∶0.4)、氧化剂(NH4NO3，AR)、脱模剂(LiBr，AR)。

1.2 实验设备

Axios mAX X射线荧光光谱仪(荷兰帕纳科公司)；SST陶瓷超尖锐X射线光管，SuperQ5.0k软件；TNBDRYL-02电加热熔样机(河南洛阳特耐实验设备有限公司，熔样最高温度1 100 ℃)；铂金坩埚(Pt 95%、Au 5%)；分析天平(精度0.1 mg)；低温电炉(1 kW可调电阻丝炉)。

1.3 实验方法

因为考虑到本方法测定的是水玻璃中Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、K2O、Na2O、SiO2化合物，因此，在坩埚、混合熔剂、氧化剂和脱模剂的选择上避免选择含Al、Ca、Mg、Fe、K、Na、Si元素的物质，避免对真正测定的成分产生干扰。

一般来说，上照式最大的优点在于分析粉末压片、疏松粉末和液体样品时，样品破损不会损坏X射线管，但上照式结构装样、卸样比较麻烦，需要一套复杂的机械进样装置，上照式荧光分析样品到X射线管的距离每次都需要定位，如果出现误差的话对分析结果产生很大的影响；下照式不需要复杂的进样装置，样品到X射线管的距离固定，下照式结果更加有利于空间的利用，并且下照式的检测准确度更高，但下照式结构最大的问题在于破损的样品会污染X射线管，造成较大损害。因此，本方法通过直接将液体水玻璃熔制成固体样片，避免液体水玻璃在测定过程中对X射线管的损坏。

1.4 样品的制备

将0.60 g(精确至0.000 1 g)水玻璃直接称入熔片专用的铂金坩埚中，加入5.000 0 g混合溶剂(Li2B4O7∶LiBO2∶LiF=4.5∶1∶0.4)、0.50～1.00 g氧化剂NH4NO3、15～20 mg LiBr，搅拌均匀后放于铂金坩埚中，低温电炉上烤干水分。在700 ℃预氧化3 min，升温至1 150 ℃，熔融及摇动8 min。其间摇动坩埚，将气泡赶尽，使熔融物混匀，然后冷却，取出样片，贴标签，置干燥器保存。

2 结果与讨论

2.1 X射线荧光光谱仪工作条件

X射线荧光光谱仪工作最佳条件：75 μm超薄铍窗，SST陶瓷超尖锐X射线光管，X射线光管射频功率4.0 kW，工作电流160 mA， 分析软件为SuperQ5.0k软件。Axios mAX X射线荧光光谱仪元素测量条件见表1。

表1 帕纳科-待测元素测量条件Table 1 Conditions for measuring elements to be measured

2.2 标准数据与工作曲线

为涵盖市场水玻璃各主次量成分范围，选取了5种(SD1-SD5)含量具有代表性的瑞士进口高品质水玻璃和青岛某厂家4种(SD6-SD9)水玻璃产品,以其材质书给定的分析结果为参考，进行国家标准检测方法的复合验证，其结果见表2。最后以此样品作为标准，在给定的元素测量条件下(表1)测定其强度值，然后建立每种成分的工作曲线。

表2 标准样品测定结果Table 2 Test result of standard sample /%

2.3 未知样品的测定

选取12个未知样品，在样品的制备上需要和标准样品保持一致，以消除制备过程中产生的误差，避免对结果产生影响。用X射线荧光光谱法测定制备好的水玻璃样品中的Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、K2O、Na2O、SiO2含量。同时采用国家标准法和ICP-AES法测定这12个样品的主次量成分含量，其对比结果见表3。

表3 水玻璃样国标法与本方法测定结果对比Table 3 Comparison between national standard method and the result of this method /%

2.4 方法的准确度实验

水玻璃都会考察其模数、黏度、稳定性。K2O、Na2O、SiO2的含量是影响模数高低的主要因素，而其它杂质元素的多少则会影响水玻璃的稳定性。所以对水玻璃成分含量的准确测定十分重要。

通过对表4数据分析，可以看出，水玻璃中主含量K2O、Na2O、SiO2的测定结果与国家标准方法的测定结果吻合，SiO2、K2O、Na2O测定结果相对偏差分别为≤0.86%、≤1.25%、≤2.45%。而水玻璃中的低含量的杂质元素Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3的测定结果与电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES)的结果基本吻合。

2.5 方法的精密度实验

在样品中随机抽取一个样品，进行12次平行制样、检测。结果见表4，其相对标准偏差(RSD)在0.38%～14.3%。

表4 随机样品测试结果的相对标准偏差Table 4 The RSD of random sample test results /%

3 结语

方法解决了目前分析水玻璃成分的过程繁杂、耗时长，测定的成分也有限的弊端，分析结果与化学法相符，能够满足水玻璃在线分析和科研要求，能对水玻璃产品质量作出更加全面的分析。

[1] 康永,侯晓辉,柴秀娟.水玻璃复合材料应用研究的进展[J].现代技术陶瓷(AdvancedCeramics),2011,19(1):51-55.

[2] 苏小莉,左国强,蔡天聪.硅酸钠模数测定方法的探究[J].广州化工(GuangzhouChemicalIndustry), 2011,39(1):118-119,139.

[3] 张忆，操应军,樊新华，等.硅酸钠含量快速测定方法[J].化学工程与装备(ChemicalEngineering&Equipment),2012,41(4):128-130.

[4] 李海涛,张巍.水玻璃模数快速测定方法[J]. 应用能源技术(AppliedEnergyTechnology),2006,23(8):35-36.

[5] 宋頔.快速滴定硅酸钠溶液中二氧化硅含量的改进[J].化学工程与装备(ChemicalEngineering&Equipment),2010,43(8):180-181.

[6] 王福成. 水玻璃模数测定新方法的探究[J].哈尔滨轴承(JournalofHarbinBearing),2008,36(4):49-50.

[7] 冯晓军.ICP-AES 法同时测定硅酸盐杂质抑制剂水玻璃中Na、K、Si、Fe、Al的方法[J].武汉工程大学学报(JournalofWuhanInstituteofTechnology),2011,33(2):55-57.