ケイ酸ナトリウム

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）に溶解することによって水素製造の一部として製造される可能性がある。 ^{[ 4 ]}

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

利益にはならないものの、Na₂SiO₃_{はバイエル}法の副産物であり、しばしばケイ酸カルシウム（Ca₂SiO₄ _）に変換される。

ケイ酸ナトリウムの接着特性は1850年代にはすでに注目されており^{[ 5 ]}、少なくとも第一次世界大戦以降広く使用されてきました^{[ 6 ]}。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 ]}。紙用接着剤として使用すると、ケイ酸ナトリウムの接合部は数年以内にひび割れる傾向があり、その時点で接着された紙の表面を保持できなくなります。

ケイ酸ナトリウム溶液は、ガラス同士を接合するためのスピンオン接着層^{[ 7 ]}、または二酸化ケイ素で覆われたシリコンウェハ同士を接合するための接着層^{[ 8 ]}としても使用できます。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^{[ 7 ]} 。また、ガラス同士の陽極接合^{[ 9 ]}よりも処理が少なくて済みます。陽極接合では、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^{[ 9 ]。}このような層の堆積には、低圧化学気相堆積工程が必要です^{[ 9 ]} 。しかし、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^{[ 8 ]} 。これは、この技術が真空を必要とせず、陽極接合のように電界アシストも使用しないことが一因です。 ^{[ 10 ]}このフィールドアシストの欠如は、場合によっては有益となることがあります。なぜなら、フィールドアシストはウェーハ間に非常に高い引力をもたらし、薄いウェーハを曲げてナノ流体キャビティやMEMS要素に押しつぶすことができるからです。^{[ 10 ]}

ケイ酸ナトリウムは、溶接棒などに使われる塗料やコーティング剤など、さまざまな用途に使用できます。このようなコーティング剤は、2つの方法で硬化させることができます。1つの方法は、ケイ酸ナトリウムの薄い層を加熱してゲル状にし、その後硬い膜にする方法です。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。^{[ 2 ]}膜を脱水し、蒸気や膨れを防ぐために、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できます。 ^{[ 2 ]}もう1つの方法では、高温が実用的でない場合、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。^{[ 2 ]}塗布前に、ケイ酸ナトリウムの水溶液を硬化剤と混合します。^{[ 2 ]}      

これは、複合二ケイ酸ナトリウムや変性二ケイ酸ナトリウムなどの洗剤助剤として使用されます。洗剤顆粒は、ケイ酸塩のコーティングによって頑丈になります。^{[ 1 ]}

ケイ酸ナトリウムは、廃水処理施設でミョウバン凝集剤および鉄凝集剤として使用されます。ケイ酸ナトリウムはコロイド分子と結合し、より大きな凝集体を形成して水柱の底に沈みます。水中に懸濁している微細な負電荷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（2つのナトリウム陽イオンを伴う二重負電荷陰イオン）の添加によってイオン強度が上昇するため、これらの粒子の電気二重層が崩壊し、その後凝集します。このプロセスは凝集と呼ばれます。^{[ 1 ]}

これは、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つの方法により、丈夫な鋳型や中子を迅速に製造することができます。

• 方法1では、砂型枠またはコアボックス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す必要がある。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生成する。これにより、硬化した砂型を成形工具から取り外すのに十分な強度が得られる。砂型の中に残っている未反応のケイ酸ナトリウムが脱水することで、さらに強度が増す。
• 方法2では、砂とケイ酸ナトリウムの混合物を成形箱またはコアボックスに入れる前に、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。液状ケイ酸ナトリウム中の水からエステルが加水分解されると、酸が放出され、液状ケイ酸ナトリウムがゲル化します。ゲルが形成されると、離水によってガラス状になります。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、砂型枠またはコアボックス内の砂とケイ酸ナトリウムの混合物をマイクロ波エネルギーで加熱・脱水します。この方法がうまく機能するためには、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やかに吸収します。マイクロ波照射後1分以内に、完全に脱水された砂の形状が得られます。この方法は、ケイ酸ナトリウムで結合された砂の形状において、最高の強度を実現します。

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、982  °C以上の注湯温度で溶融する）、鋳造後の砂の分解を促進するために有機材料を添加するのが一般的である。添加物としては、砂糖、デンプン、炭素、木粉、フェノール樹脂などが挙げられる。

水ガラスは、バーミキュライトやパーライトなどの固体材料の結合剤として有用です。後者の軽量粒子と混合すると、耐火物、防火対策、成形管断熱材などの高温断熱材として使用される、硬質で高温耐性のある断熱板の製造に利用できます。バーミキュライト粉末（剥離工程で発生する一般的なスクラップ）などの微粉末鉱物と混合すると、高温接着剤を製造できます。微粉末鉱物が存在すると膨張性が失われ、水ガラスは単なるマトリックスとして機能します。水ガラスは安価で入手が容易なため、多くの耐火物用途で広く利用されています。

ケイ酸ナトリウムは、鋳造用スリップの凝集防止剤として使用され、粘度を下げ、粘土を液状化するために必要な大量の水を減らすのに役立ちます。また、陶器、特にろくろ成形でひび割れ模様を作るためにも使用されます。花瓶や瓶は、ろくろで比較的細長く、壁が厚く成形されます。作品の一部にケイ酸ナトリウムをブラシで塗ります。5分後、リブや手で作品の壁を外側に伸ばします。その結果、しわやひび割れのある外観になります。

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つの粘土片の水分量が異なる場合に使用されます。^{[ 11 ]}

ケイ酸ナトリウム溶液は、繊維と反応するために高いpHを必要とする反応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生地、または絹に染料を塗布した後、乾燥させ、その後、ケイ酸ナトリウムを染色した生地に塗布し、水分を保持するためにプラスチックで覆い、室温で1時間反応させます。^{[ 12 ]}

ケイ酸ナトリウムは、ケイ酸マグネシウムとともに、マフラーの補修・取り付け用ペーストとして使用されます。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、塗布しやすい粘稠なペーストを形成できます。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中の余分な水分がすべて蒸発します。残ったケイ酸塩化合物はガラスのような性質を持ち、ガラス繊維で補強できる、一時的な脆い補修材となります。

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、熱による表面変形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注入され、循環します。ケイ酸ナトリウムが100～105 ℃（212～221 °F）の「転移」温度に達すると、水分子を失い、 810 ℃（1,490 °F）以上の再融解温度を持つガラス状のシールを形成します。この補修は2年以上持続し、症状はすぐに消えます。ただし、この補修はケイ酸ナトリウムが「転移」温度に達した場合にのみ有効です。また、潤滑油にケイ酸ナトリウム（ガラス粒子）が混入すると、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ある場合は、エンジンオイルが汚染される可能性が高くなります。    

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に、そして永久的に故障させるために使用されます。エンジンオイルの代わりに約2リットルのケイ酸ナトリウム溶液でエンジンを運転すると、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が壊滅的に損傷します。^{[ 13 ]}米国では、この手順は自動車手当リベート制度（CARS）プログラムの要件を満たすために使用されました。^{[ 13 ] [ 14 ]}

ケイ酸ナトリウムと木屑の混合物は、一部の金庫の二重構造の間に使用されています。これにより、耐火性が向上するだけでなく、発生する煙のため、酸素アセチレントーチで切断することが非常に困難になります。

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、掘削液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地層を掘削する場合に有効です。

ケイ酸ナトリウム溶液で処理されたコンクリートは、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低減するのに役立ちますが、水蒸気の透過と放出を低減する効果は知られていません。^{[ 15 ]}コンクリート中に存在する過剰なCa(OH) ₂（ポートランダイト）との化学反応により、ケイ酸塩が表面に永久的に結合し、耐久性と撥水性が大幅に向上します。この処理は通常、初期硬化が完了した後（条件によって約7日間）にのみ適用されます。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。コンクリート中に存在す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）ゲルを形成する例を以下に示します。 ^{[ 16 ]}

ナ₂ SiO₃ +y H₂ O+x Ca(OH)₂ →x CaO.SiO₂ .y H₂ O+2NaOH

数種類の金属塩の結晶を水ガラスの溶液に落とすと、色のついた金属ケイ酸塩の単純な、または枝分かれした鍾乳石が形成されます。この現象は、20世紀初頭から現在に至るまで、玩具や化学実験セットの製造業者によって、多くの世代の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で金属塩の結晶が「化学庭園」を形成するという初期の記述は、1946年のModern Mechanix誌に見られます。^{[ 17 ]} 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。

2011年4月、日本の福島第一原子力発電所から高放射性水のさらなる漏洩を防ぐため、添加剤入りのケイ酸ナトリウムが地中に注入され、地盤を硬化させた。^{[ 18 ]}損傷した原子炉の冷却に使用された水が運ぶ残留熱により、注入された混合物の硬化が促進された。

1958年6月3日、世界初の原子力潜水艦であるUSSノーチラスがエベレットとシアトルを訪れた。シアトルでは、民間服を着た乗組員が、漏れているコンデンサーシステムを修理するために、ケイ酸ナトリウムを含む自動車用製品（当初はストップリークと識別されていた）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た。ノーチラスは、潜水したまま北極を横断するという極秘任務で北極に向かう途中だった。^{[ 19 ]}

ケイ酸ナトリウムの接着特性の歴史的な用途としては、1851年から1873年の間にコルト製造会社が製造した黒色火薬リボルバー用の紙カートリッジの製造、特に南北戦争中に使用されたものがある。ケイ酸ナトリウムは、可燃性の硝酸紙を接着して円錐形の紙カートリッジを作り、黒色火薬を保持するとともに、鉛のボールまたは円錐形の弾丸を紙カートリッジの開口部に接着するために使用された。このようにケイ酸ナトリウムで接着された紙カートリッジはリボルバーのシリンダーに挿入され、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を迅速化した。この用途は、1873年から真鍮ケースカートリッジを使用するコルトリボルバーが導入されたことでほぼ終了した。^{[ 20 ] [ 21 ]}同様に、ケイ酸ナトリウムは真鍮製ショットガンシェルにトップワッドを接着するためにも使用され、ショットガンシェルを固定するために真鍮製ショットガンシェルの上部に圧着する必要がなくなった。 1870年代、自給自足的なアメリカの農民たちは、卵の保存にも使われていた水ガラスを使って、真鍮製の散弾銃の薬莢を再装填することを広く行っていた。散弾銃の薬莢の上部のワッドを接着するには、上部のワッドに水ガラスを3～5滴垂らして真鍮製の薬莢に固定する。散弾銃の薬莢は、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は、上部のワッドを薬莢内に固定するために、水ガラスで接着した接合部の代わりにロールクリンプを使用した。しかし、上部のワッドを水ガラスで接着した真鍮製の散弾銃の薬莢は、（もちろん火薬、ワッド、散弾があれば）ほぼ無限に再装填できたのに対し、真鍮製の薬莢に取って代わった紙製の薬莢は、数回しか再装填できなかった。

ケイ酸ナトリウムやその他のケイ酸塩は、「即効性」シワ取りクリームの主成分であり、一時的に肌を引き締めてシワや目の下のたるみを目立たなくします。これらのクリームは、薄く塗って数分間乾燥させると、劇的な効果を発揮します。しかし、その効果は永続的なものではなく、数分から数時間しか持続しません。まるで水糊のように作用し、筋肉が動き始めるとひび割れ、肌に白い残留物が残ります。

水ガラスは、主に冷蔵設備がない場合に、卵の保存剤として大きな成功を収めて使用されてきました。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。卵には永久的な気密コーティングが残ります。その後、適切な環境で保管すれば、卵を腐敗させる原因となる細菌の大部分が排除され、水分が保持されます。引用された情報源によると、この方法で処理した卵は最大5か月間新鮮に保つことができます。このように保存した卵を茹でると、殻はもはや空気を通さないため、蒸気を逃がすために殻に穴を開けない限り（例えばピンで）、卵は割れやすくなります。^{[ 22 ]}

ケイ酸ナトリウムの凝集性は、コロイド粒子を沈殿させることでワインやビールを清澄化するためにも利用されています。ただし、清澄剤として、ケイ酸ナトリウムはチョウザメなどの魚の乾燥した浮き袋から抽出したコラーゲンから作られるイシンガラスと混同されることがあります。 ^{[ 23 ]}

ケイ酸ナトリウムゲルは、養殖孵化場で藻類の成長のための基質としても使用されます。^{[ 24 ]}