lỏng với keo silic,
2.3.1. Thủy tinh lỏng mô đun cao
Thuỷ tinh lỏng thương mại thường có mô đun từ 1,9 đến 3,75; khối lượng của silica và ôxít kiềm chiếm từ 30 – 50%. Sự phân chia của silica ở trong thủy tinh lỏng có mô đun lớn hơn 2,5 tạo thành các hạt keo silica rất nhỏ. Bergna [45] và Ralph K. Iler [84] cho rằng thủy tinh lỏng có mô đun lớn hơn 3,5 được coi là thủy tinh lỏng có mô đun cao hoặc được gọi là polysilicát kiềm thông qua sự hiện diện của keo silica.
Mức độ polyme hóa của silica trong dung dịch silicát có thể được miêu tả như số nhóm silicát được hình thành dưới dạng phân tử trung bình của axít silic hoặc axít polysilic. Mức độ polyme hóa tăng theo sự tăng mô đun của thủy tinh lỏng. Ví dụ thủy tinh lỏng có mô đun bằng 0,5; có khối lượng phân tử là 60 tương đương với một phân tử SiO2, thủy tinh lỏng có mô đun bằng 1; 2; 3,5 và 4 có khối lượng phân tử lần lượt bằng 70, 150, 325 và 400. Điều này giải thích tại sao thủy tinh lỏng có mô đun cao chứa một lượng lớn các ion polyme hóa và thường được gọi là các polysilicát. Các ion polyme silicát có khối lượng phân tử lớn hơn 600 là đủ lớn để có thể được coi là các hạt silica rất nhỏ hay được gọi là keo silica. Các hạt keo (colloidal) là những hạt có kích thước nằm giữa 1 nm và 500 đến 1000 nm. Khoảng kích thước hạt này tạo thành khoảng keo và nó không xác định bởi hình dạng của biên giới hạt. Điều này đã cho thấy đúng bản chất của thuỷ tinh lỏng nó vừa có tính chất của dung dịch thực, vừa có tính chất của dung dịch cao phân tử và rồi khi trùng hợp đến kích thước lớn đạt tới kích thước của hạt keo. Nên khi chưa có thuyết cao phân tử thì người ta coi thuỷ tinh lỏng là dung dịch keo lý tưởng.
Thủy tinh lỏng có khối lượng phân tử trung bình cao hơn từ 200 đến 300 có cỡ hạt của các ion silicát hoặc ion polysilicát ở trong khoảng keo. Khối lượng phân tử trung bình càng cao thì cỡ hạt của ion polysilicát càng cao ở trong khoảng keo. Ví dụ: thủy tinh lỏng có mô đun bằng 3,35 có thể chứa đựng nhiều hơn 2 hoặc 3, thậm chí tới 15% khối lượng của tổng lượng silicát hoặc silica có trong keo silica. Thủy tinh lỏng có mô đun bằng 3,75 chứa đựng nhiều hơn 8 hoặc 10, thậm chí đến 33% khối lượng của tổng lượng silicát hoặc silica có trong keo silica. Các thủy tinh lỏng có mô đun cao đạt tới trạng thái ổn định cân bằng trong cỡ hạt keo silica có một khoảng phân bố kích thước hạt đã biết. Trong trường hợp thủy tinh lỏng có mô đun bằng 3,25 tới 4 ở trạng thái cân bằng cỡ hạt keo silica có kích thước hạt nhỏ hơn 5 nm. Mô đun của thủy tinh lỏng tăng với sự không đổi của lượng silica trong dung dịch sẽ làm tăng độ nhớt, thậm chí làm tăng khả năng tạo gel và đóng rắn. Do đó nồng độ thực tế lớn nhất của silicát kiềm giảm theo độ tăng của mô đun thủy tinh lỏng. Nồng độ thực tế lớn nhất là nồng độ lớn nhất của SiO2 và Na2O trong dung dịch như số liệu được minh họa ở bảng 2.3. Theo bảng ở trên thì nồng độ giảm khi mô đun của thủy tinh lỏng tăng giống như giải thích ở trên, thủy tinh lỏng trở thành rất nhớt và có độ ổn định trong một khoảng thời gian nhất định. Sự ổn định trong trường hợp này được hiểu như khả năng chống lại sự tạo gel, để tạo ra dung dịch có độ ổn định hơn thì nồng độ các chất rắn có trong dung dịch phải thấp. Tuy nhiên, điều này là không thực tế đối với chất dính dùng trong ngành đúc. Hàm lượng nước cao ở trong thủy tinh lỏng mô đun cao (có mô đun từ 4 tới 5 trở lên) sẽ cản trở khả năng ứng dụng chúng trong ngành đúc bởi vì chúng làm giảm độ bền của khuôn và ruột và tạo ra hơi nước xâm nhập vào vật đúc khi đúc kim loại.
Bảng 2.3: Tập trung nồng độ lớn nhất của SiO2 và Na2O trong thủy tinh lỏng [44, 45]
Tỷ lệ SiO2/Na2O Tổng lượng SiO2 và Na2O trong thủy tinh lỏng (% khối lượng) 1,95 55 2,40 47 2,90 43 3,25 39 3,75 32 5,0 <20