無機塗料的製備與應用
| ◆ 無機塗料的製備與應用(1) ◆ |
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摘要 : 本文主要綜述了幾種新型無機塗料的製備、性能、發展及應用。
關鍵字 : 無機塗料 ; 無機粘結劑 ; 製備工藝 ; 應用
1 前言
無機塗料主要是指以矽酸鹽和磷酸鹽類化合物作爲粘結劑 , 加入各種顔、填料、助劑、固化劑配製而成的塗料 , 其中矽酸鹽高分子化合物又可分爲鹼金屬矽酸鹽和矽溶膠。這種以無機粘結劑作爲成膜物質的塗料具有成膜溫度低、其塗膜具有優良的耐候性、在紫外光作用下非常 穩定、良好的耐熱性、遇火不燃、較好的耐污染性、不易吸灰、能保持明快的裝飾效果、在製作與使用過程中無揮發性有機物産生、不會污染環境、原材料資源豐 富、成本低廉等一系列優點 , 因而得到了廣闊的工業應用 , 其市場前景 , 社會、經濟效益十分誘人。
2 無機塗料簡要製備工藝
無機塗料的製備工藝與有機塗料類似。先將顔、填料等固體物料經分散或研磨制成色漿 , 然後把基料、色漿及其他輔助成分按配方規定混合 , 再經過球磨、過濾、包裝。如果是含有固化劑的塗料 , 則須將固化劑與基料分開包裝。配製塗料常用的顔填料有鈦白粉、氧化鋅、碳酸鈣、滑石粉、高嶺土、雲母粉、石英等。
2 . 1 鹼金屬矽酸鹽塗料
鹼金屬矽酸鹽塗料又可稱爲水玻璃基無機塗料 , 它是以矽酸鉀和矽酸鈉爲膠粘劑的一類塗料 , 通常由膠粘劑、固化劑、顔料、填料及各種助劑組成。塗料採用雙組分 , 一組分爲鹼金屬矽酸鹽水溶液 , 另一組分爲顔填料、固化劑、助劑混合均勻的粉劑或漿狀物。此外也可以是一組分爲鹼金屬矽酸鹽水溶液、顔填料、助劑 , 另一組分爲固化劑。兩組分在施工前混合 , 然後以適當的工藝塗刷於基體上。目前國內主要産品隨著水玻璃的類型不同 , 大致可分爲鉀水玻璃塗料 , 鈉水玻璃塗料 , 鉀、鈉水玻璃塗料 3 種。
2. 1. 1 水玻璃組成及物理化學特性
水玻璃通式爲 M 2 O · mSiO 2 · nH 2 O ,M 包括鈉、鉀、鋰和銨 4 種離子 , m 爲模數 , 系 SiO 2 / M 2 O 之比。其中矽酸鋰和矽酸銨價格較高 , 不常應用 ; 鉀水玻璃價格中等 , 鈉水玻璃價格低廉 , 二者都有較好的粘結性和成膜能力。純淨的水玻璃是無色透明的液體。生産過程中因原料不純、耐火磚和反應鍋蝕損、燃料中含硫磷等雜質以及過濾不當而致使水玻 璃成品中含有一定量的 Fe 2 O 3 、 MnO 2 、 Al 2 O 3 、 CaO 、 SO 4 2 - 等雜質 , 故帶有青灰色、黃綠色或淡紅色。
水玻璃的性質隨其模數的不同而變化 , 水玻璃在水中溶解的難易程度取決於其模數 m 。當 m = 1 時 , 水玻璃在常溫下即可溶于水中 ; 當 m > 1 時 , 水玻璃只能溶解於熱水中 ; 當 m > 3 時 , 水玻璃必須在 4 個以上的大氣壓的蒸汽中才能溶解。水玻璃的模數越低 , 粘結能力越差 , 成膜後塗料的耐水性能越差 ; 模數越高 , 粘結力越大 , 成膜後塗膜的耐水性越好。對於模數相同的水玻璃 , 其濃度越大 , 比重越大 , 粘結力越強。
室溫下乾燥的水玻璃含有 “ 自由 ” 水和 “ 結合 ” 水 , 結合水又包括以氫鍵和聚合單元粒子表面 SiOH 結合的水、以配位鍵和陽離子結合的水及聚合單元上的矽醇基 ( 結構水 ) 等 3 種。常溫乾燥過程中 , 溶液中的陽離子通過和 SiO - 配位在聚矽酸鹽粒子之間起交聯作用。 Li + 和多價離子與 SiO - 間的價鍵力很強 , 可形成不溶的塗膜 ; 而對於 Na + 和 K + , 成膜物浸水時 , 這種交聯作用隨之失去 , 因此鈉水玻璃和鉀水玻璃在不加固化劑或者不加熱時形成的塗膜耐水性差。所以要使無機塗料具有好的性能 , 必須提高其耐水性。
2. 1. 2 耐水性的提高途徑
目前提高水玻璃塗料的耐水性的方法主要有以下途徑 :
• (1) 加熱固化。 D. Glasser 認爲 [ 3 ] , 約到 80 ℃ 時水分子重排並對相鄰矽醇基之間的縮合起催化作用 , 進一步加熱至 120 ～ 130 ℃ 以上 , 殘存的水分子促使矽醇基的縮合 , 形成堅固的三維結構 ; Na + 、 OH - 則被關閉在三維結構的籠子裏而固定 , 加熱到 200 ℃ , 耐水性大大提高。 1971 年日本研製成功的新型無機水玻璃建築塗料採用普通的空氣噴塗法噴塗在無機基材上 , 在 250 ～ 300 ℃ 下烘烤 1h 即可得到性能極好的無機塗膜。塗裝這類塗料的石棉用於高層建築裝飾具有 20 年之久的壽命。
• (2) 水玻璃改性。一般是通過加入合適的物質 , 使某種憎水基團取代一部分水玻璃分子兩端的鹼金屬離子 , 以提高耐水性。改性處理時必須考慮粘性、耐水性和凝膠時間的相互制約關係。李振陽 [ 4 ] 用無機酸對鈉水玻璃進行改性所形成的塗膜乾燥後在水中連續浸泡 6 個月仍保持水洗性而不壞。楊志剛 [ 5 ] 用無機鹽對水玻璃改性也獲得了耐水性較好的塗膜。也有不少專利 [ 6 ～ 9 ] 介紹了水玻璃改性的研究。
• (3) 固化劑固化。由於水玻璃塗膜固化後殘留有水溶性堿 , 從而耐水性差 , 易返潮 , 不適用於潮濕環境 , 故水玻璃塗料特別是建築塗料必須加入一定的固化劑以改善耐水性和固化性能。固化劑與鹼金屬離子發生反應生成水不溶化合物 , 並促進了二氧化矽膠體進一步縮合成耐水塗膜。這一技術 , 國外稱爲 “ 鹼金屬離子的固定化技術 ” 。目前常用的固化劑有縮合磷酸鹽 [ 10 ,11 ] 、氟矽酸鹽、金屬氧化物、有機化合物等。邱學婷 [ 12 ] 等人合成的磷酸矽固化劑較好地解決了水玻璃的耐水性差問題。 1975 年日本大阪曹達公司研製成功的一種新型水玻璃塗料系固化劑固化的鹼金屬矽酸鹽塗料。該塗料使用時間 10h 以上 ( 氣溫 35 ℃ 時 ), 最低施工溫度零下 2 ℃ , 塗膜表幹後氣溫下降到零下 10 ℃ 也能完全固化。此塗料對於混凝
土水泥砂漿及石棉水泥板等無機建築材料均有很強的附著力 , 而且有很好的耐水性、耐洗擦性 , 在 1000 ℃ 的高溫下燃燒時也不産生煙氣。
(4) 塗覆保護層。水玻璃塗膜表幹後再塗覆一道諸如甲基矽酸鈉的保護層 , 可進一步提高塗膜的耐水性、耐凍融性、硬度以及防污染能力。如 NW -811 無機外牆塗料施加保護塗層時 , 耐水天數從 6070 天增加到了 100110 天 , 鉛筆硬度從 6H 提高到了 9H 。
2 . 2 矽溶膠塗料
矽溶膠塗料是以膠體二氧化矽的水分散液爲成膜物質 , 混以顔、填料、助劑攪拌分散而成的一種無機塗料。成膜物質矽溶膠是一種粒徑爲 1 ～ 100nm 的多聚矽酸的高度分散物。成膜性能的好壞不僅與膠體粒子的大小有關 , 更重要的是粒子表面應具有一定的活性。一般矽溶膠的粒子呈球形 , 粒子表面大部分被矽醇基 Si-OH 所包圍 , 小部分吸附了作爲穩定劑的鈉離子。由於粒子表面吸附了鈉離子 , 膠粒帶有電荷 , 並且具有足夠大的ξ電位 , 保證了膠體的穩定性。成膜時 , 隨著水分的蒸發 , 膠體粒子不斷靠緊 ,Si-OH 中相鄰的
-OH 基脫水而形成 -Si-O -Si- 鍵。由於不含鹼金屬離子 , 故塗膜耐水性好。但由於成膜過程中體積收縮較大而易出現龜裂等不良現象 , 因此一般在該無機塗料中添加纖維或纖維狀、片狀顔、填料 , 或者用有機高分子成膜物改性 , 使有機樹脂填充在 -Si -O -Si- 網狀結構的間隙中 , 遮罩殘存的羥基 , 減少塗膜對水的敏感程度 , 弛緩塗膜在冷熱交替時的伸縮作用。
膠體二氧化矽具有極小的粒子 , 對顔料的包覆性能和對底材的滲透能力很強 , 而且與水泥類鹼性底材在養護期所析出的 CaO 、 Ca (OH) 2 等鹼性物質能發生配位元反應 , 生成 2CaO · SiO 2 · H 2 O 化合物 , 使塗膜和底材一體化 , 並有效地防止了底材返堿而出現 “ 白花 ” 現象。因此 , 這類塗料施工時底材無需特殊處理就能獲得極好的附著力 , 不産生靜電 , 空氣中的塵埃較難粘附其上 , 而且易被雨水沖洗乾淨。
2 . 3 磷酸鹽塗料
磷酸鹽類無機塗料主要是以酸式磷酸鹽水溶液 ( 一般是磷酸二氫鋁 ) 爲成膜物 , 配以顔、填料 , 固化劑而成。磷酸鹽塗料具有很好的耐熱性能和粘結性能 , 但光澤度低 , 因此一般只用作工業設備
上的塗料 , 如鍋爐管道壁的耐熱保護塗料等。爲了使塗料的熱膨脹係數與金屬接近 , 配製這類塗料常添加少量的金屬粉。
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螯合物分散劑
ABLUTEX SEQ 7
螯合物分散劑(多機能性)
ABLUTEX SEQ 7 為一種多機能性螯合物分散劑，對水質之軟化、水垢和聚脂之齊聚物(Oligomer)去除等等，造成現在染整廠最頭痛的問題，藉助本產品特殊之螯合物和分散效果皆能一一克服。
一般性狀：
外 觀 ： 無色透明液體
離子性 ： 陰離子
溶解性 ： 冷水可溶
pH 值 ： 10-11 (1%水溶液)
組 成 ： 特殊陰離子化合物
特 性：
* 對鐵有極佳的螯合力。
* 低泡耐高溫，耐鹽。
* 染著率的提昇，可防止色調變化，提高染色均勻性和鮮艷度，增加摩
擦堅牢度。
* 對水不溶物或無機鹽類有極佳之分散效果，並可防止再附著於纖維或
機械上。
* 能有效的螯合水中及纖維中之金屬離子，從而軟化水質，促成染色加
工之順暢。
* 如染整工廠仍使用水玻璃於精練漂白工程時，ABLUTEX SEQ7 亦可防
止矽酸鹽之沉積、阻塞。
* 應用於金屬染料染色時，如使用 E.D.T.A.則會改變色相和上色率，使
用本品則可避免此不良影響。
* 退漿工程中，可促進澱粉漿料膨脹和分散已水解之漿料。
* 對Ca++螯合力測定 ( mg caco3 / g )。
(1) PH 11
室溫下， SEQ7 = 172, 他社 F = 121
高溫下， SEQ7 = 130, 他社 F = 110
(2) PH 4.5
室溫下， SEQ7 = 118, 他社 F = -
高溫下， SEQ7 = 54, 他社 F = -
用法與用量：
基本上 ABLUTEX SEQ7 可廣泛的運用於每一段漂白染色工程中只要在加入其他助劑之前先加入本品循環一下即可。
1. 退 漿：0.5-3 g/l ABLUTEX SEQ7 於退漿工程之後段加入。
在洗淨工程時可較完全洗除水解之漿料，使往後工程順利進行。
2. 精練與漂白：1-3 g/l ABLUTEX SEQ7
3. 染 色：1-3 g/l ABLUTEX SEQ7
4. 皂 洗：1 g/l ABLUTEX SEQ7可配合皂洗劑防止染料再附著。
包 裝 ： 120 公斤/ 塑膠桶
台界化學工業股份有限公司 TEL: 886 2 2541-0022
高雄捷運O1車站意外事故說明會
高雄捷運O1車站意外事故說明會於今(10)日上午10時假鹽埕區新濱派出所一樓會議室召開，會議由高雄捷運局局長周禮良主持，捷運局主秘鄭哲英、捷運公司總經理賴獻玉、達欣/清水聯合承攬督導廖肇邦及相關單位各級主管列席，會中首先由周局長簡短說明謝市長四點指示事項，概述如下：
1.全面檢討高雄捷運各工地之地質狀況，針對特別軟弱之土層須進一步深入調查。
2.鹽埕區哈瑪星地質軟弱(俗稱砂地)，該區之捷運施工須特別謹慎小心，避免類似意外再次發生。
3.已拆除之4棟民房，其損失應專案辦理補償，而相關拆除物須謹慎保存。
4.另O2車站意外之善後工作應主動對外說明，讓媒體充分了解。
截至8月10日上午為止，O1車站意外事故最新處理情況如下：
O1站8月9日下午1：20分於臨海二路與捷興二街口處，站體進行土方開挖至地下12m深，疑因開挖面下方若干公尺處自連續壁體產生滲水湧砂現象粗估約495立方公尺，造成臨海二路3、5、7及9號計四戶一棟建築物傾倒，三戶受警戒暫時撤離意外事故。
一、有關搶救及災害控制監測方面：
1.臨海二路3、5、7及9號計四戶受災居民及受安全警戒影響三戶住民，經溝通協調後暫時安置於漢王飯店內，臨海二路1號4人、3號6人、5號5人、9號3人及捷興二街36號4人、34號2人，總計安置人數24人。
2.目前意外災害已獲得控制，出水位置因堆置砂包及回填土方，出水量已減少中評估出水量每分鐘約50公升。
3.捷興二街緊急進行地質低壓灌漿已展現效果，建物安全監測結果亦顯示?定現象，並未擴大。
4.目前除有50戶電信受影響外，餘周圍住民之電力、自來水供應正常。
5.拆除臨海二路3、5、7及9號計四戶一棟傾倒建築物，以避免災變範圍持續擴大，進一步影響災區外周圍建築物及公共安全。
二、有關居民協調事務方面：
統包商於意外事故發生後立即組成居民協調事務小組進行居民安置作業，並於93年8月9日夜間20：30分，於漢王飯店與受災戶進行協商，初步達成以下之共識：
1.CO1區段標統包商達欣工程/清水營造聯合承攬以動產處理原則辦理受災戶後續理賠事宜。
2.除緊急發放受災戶慰問金每戶壹萬元、伙食代金每人每天500元前期14天計7,000元外，並於8月10日發放前期補償金每戶參拾萬元。
三、有關現場搶救施工後續作業方面：
1.基地內配合止水減少湧砂之情況，進行砂包堆砌(太空包100包、小砂包2,000包)及回填土方計386立方公尺。
2.基地外災害區域動員15組低壓灌漿機，9組待命中，依現況需求於捷興二街處配置三組低壓灌漿機進行水泥砂漿填充止水灌漿，計灌注袋裝水泥1,341包，
水玻璃18,702公升。
3.基於災害控制及安全考量於8月9日晚上21：40分進行臨海二路3、5、7及9號傾倒建築物地上層拆除作業，地上建築物拆除後預計進行該區段之地質低壓止水灌漿。
4.投入人力部分依據高雄市政府捷運局及高雄捷運股份有限公司之意外事故緊急動員搶救作業規定，於8月9日下午1：20起動員成立O1站意外事故指揮中心外，達欣工程總公司自台北派遣5員高階主管及清水建設派遣8員高階技術人員投入災害搶作，友標亦全力支援計CO2區段標統包商前田營造/隆大營造聯合承攬支援工程師3名技術工7員、CO3區段標統包商皇昌/華升/榮工聯合承攬支援工程師若干名技術工20員及CR6區段標統包商榮工/ 奧村組承攬支援工程師若干名技術工8員，及其他友標之協助，合計：
8/9白天，工程師124員、技術工245員，合計369員。8/9夜班，工程師56員、技術工241員，合計 297員。總計666員。
四、有關臨海二路3~9號建築物拆除說明：
1.依下午1:20分O1意外事故發生後之監測資料得知地點沉陷點SB-121、SB-123及SB-132(臨海二路3巷與捷興二街巷口)之沉陷量由18～28mm (8月7日測量值)急遽增加至63～91mm (8月9日16:20) (詳附件)；另外當受月堂等建築物部分拆除後，由沉陷觀測點SB-114之量測值得知地面下陷量已趨於穩定(8月7日測量值17.9mm，8月9日16:20為44.9mm，20:00為48.7mm，22:25為48.88mm) (詳附件)。
2.災變發生後(8月9日13：20)左右，受月堂等建築物因嚴重沉陷與傾斜，導致建築物水平載重集中作用於該範圍之地下安全支撐，由現況觀察得知受月堂前之第一層安全支撐系統有往下變形之現象，若建築物載重繼續作用，則站體內之安全支撐系統有坍塌之可能性，造成災害範圍擴。
3.受月堂等建築物之沉陷量（如以地面層看）由災害發生時（8月9日13：20左右）已下陷達2公尺左右，至晚上拆除前（9：40左右）受月堂等建築物最大沉陷量已達3公尺左右，並持續增加，故研判建築物構造已破壞並隨時有倒塌之危險性，進一步影響O1車站站體連續壁結構及安全支撐系統之安全性；則不如立即拆除傾斜之建築物將會造成災變範圍持續擴大，進一步影響周圍之建築物及公共安全。
問：聖誕樹為什麼會長出花絮？
答：那包液體”可能”是水玻璃，”鹽類”的化學物品在水玻璃中會增長，藍色物質可能是
硫酸銅，粉紅色可能是氯化亞鈷，橘色可能是鉻酸鉀（猜測）。如果想以此做科展，你應查查化學書籍，什麼樣的化學物品可以在水玻璃中結晶，然後再來做。
化學花園
水中花你可曾見過，做了這個實驗後，美夢便能成真
實驗原理-----
利用各種不同的晶體在水玻璃溶液中，生成各式植物般的東西，如海草珊瑚似的結晶。
實驗器材-----
500cc燒杯、玻棒、水玻璃25cc、CrCl3、NiCl2、CoCl2、MnCl2、FeCl3、CuSO4、FeSO4、Al( NO3)3、Ca(NO3)2
實驗步驟-----
1. 取25cc水玻璃置於100cc燒杯中，加水50cc稀釋，攪拌均勻。
2. 將約一米粒量的固體化合物加入上述溶液中(不要攪動溶液)。
3. 靜置觀察其變化。
4. 幾分鐘後，即可生成各種顏色植物般的物種，產生一個漂亮的化學花園。
水玻璃品質標準及檢驗
(一)Na2O：
正確稱取約0.5g之樣品，以少許蒸餾水溶解。
加MO指示劑數滴後，以0.1N硫酸滴定至橙色為終點。
計算
Na2O(%)＝A×f×0.31／樣品重(g)
A：0.1N硫酸耗用量ml數
f ：0.1N硫酸力價
(二)SiO2：
正確稱取約2g之樣品於250ml燒杯中，加入6N鹽酸約10ml溶解之，並
用玻璃棒攪拌。
置於砂盤上徐徐加熱蒸乾之。
放冷加數滴濃鹽酸濕潤之，數分鐘後，加水稀釋之。
以5A濾紙過濾，並水洗至不含C1為止。
沈澱物及濾紙放入已恒量之坩堝中徐徐加熱，繼灼熱灰化至恒量為止。
計算：
SiO2(%)＝殘渣灰化後重(g)／樣品重(g)×100
(三)Fe2O3：
收集(二)濾液及水液，加入1ml硝酸或溴水。
加熱煮沸數分鐘，使充分氧化，並逐出過量之硝酸或溴。
以MO為指示劑，加1：1氨水中和至呈弱鹼性。
加熱以除去過量氨。
靜置數分鐘後，以5A濾紙過濾，並以溫水洗滌。
沈澱物以2：1鹽酸5ml溶解後，移入200ml量瓶，並加10%硫氰化銨
(NH4 SCN)10ml，再加水配成200ml。
用光電比色計470mμ波長，測定其透過率，再與標準鐵曲線對照，求
得相當之氧化鐵含量(W)。
計算：
Fe2O3(%)＝殘渣重(g)／樣品重(g)×100
(四)水不溶物：
正確稱取約50g之樣品，加水約200ml溶解之。
用已知重量之1G4玻璃過濾器過濾之，並用餾水充份洗滌至濾液不呈
鹼性為止。
將玻璃過濾器及殘物置於105±5℃烘箱內，乾燥至恒量。
取出放入玻璃乾燥器內，冷卻稱重。
計算：
水不溶物(%)＝殘渣重(g)／樣品重(g)×100
(五)比重：
將樣品溫度調製為20±2℃。
將樣品倒入潔淨之200ml玻璃量筒。
將比重計小心放入試樣中。
當比重計靜止浮著時，讀取比重。
同時測定樣當時之溫度。
(六)分子比：
由SiO2及Na2O之含量計算之。
SiO2：Na2O＝SiO2%／Na2O
纖維板之阻燃處理
木質纖維在一定溫度、壓力下製成的板材叫纖維板。普通纖維板的生產分為濕法、乾法和半乾半濕法。濕法生產中纖維懸浮於水成型，一般不施膠合劑而是利用半纖維素在熱壓過程中第二次結合壓製成堅硬的纖維板；乾法生產中纖維懸浮於空氣中成型，精磨纖維經乾燥後施膠、熱壓成板；半乾半濕法是介於濕法和乾法之間的一種生產方法。
乾法和半乾半濕法中用乾燥的纖維成型熱壓製板的工藝流程，添加阻燃劑的途徑與粒片板類似。濕法生產阻燃纖維板，最好選用與纖維反應或能固定在纖維上的阻燃劑，以免在成型、熱壓過程中阻燃劑隨濾去的水份流失掉。
又德國專利(22)介紹一種用濕法生產耐火纖維板的方法是在漿料中加入
水玻璃溶液，使纖維潤濕膨脹後再加入磷酸氫二銨，使
水玻璃沉積在纖維上然後再打磨、成型、熱壓製板。
Water Glass pH Chart
水玻璃的性質
1.水玻璃的商品一般有兩種：一種是白色塊粒狀固體，一種是無色的稠液體
，但往往略帶綠色或灰色。商品外形很像玻璃，又能溶解在水中，所以通稱
水玻璃，但與普通玻璃又不同。
2.水玻璃的組成按Na2O‧nSiO2的組成比例表示的。自Na2O:SiO2＝1:1.6到1
:4。SiO2/Na2O的比稱為係數。係數可以變更。隨著係數的變更，硅酸鈉的
性質也發生變化。將它作為電解質而用於輔助劑和洗滌劑的成分中時，一般
採用的系數到４為止。
3.水玻璃因所含氧化鈉和二氧化硅的比例不同，而有各種不同的性質。因此
，水玻璃商品的規格，亦以兩者的比例作為標準。
國內生產的水玻璃有Na2O‧SiO2、Na2O‧2.06SiO2、Na2O‧2.2SiO2、 Na2O
‧2.4SiO2、Na2O‧2.44SiO2和Na2O和3.36SiO2等數種。產品一般都是溶液
，有40°Be'和56°Be'等幾種濃度。SiO2含量愈多，則鹼性愈低。在肥皂工
業中使用較多的是1：2.4的鹼性水玻璃，和1：3.36的鹼性較低的中性水玻
璃。
4.幾種水玻璃溶液的pH值參閱圖２。
5.水玻璃在水中有水解作用，按下列方程式進行水解：
Na2SiO3＋2H2O→2NaOH＋H2SiO3
因此，這溶液具有鹼性反應。水解的結果所分離出來的硅酸，在水中形成膠
體的膠粒群。
6.水玻璃與無機酸（如鹽酸）起作用生成膠狀硅酸（但稀溶液不生膠狀物）：
Na2SiO3＋2HCl→H2SiO3＋2NaCl
