硅溶胶概述.doc

1 硅溶胶概述1.1硅溶胶定义及介绍1.1.1硅溶胶简介中文名称：硅溶胶；英文名称：silica sol ；分子式：mSiO2nH2O。硅溶胶是二氧化硅的胶体微粒分散于水中的胶体溶液，又名硅酸溶胶，或二氧化硅水溶胶。外观多呈乳白色或淡青透明的溶液状。多呈稳定的碱性，少数呈酸性。硅溶胶中SiO2的浓度一般为10%35%，浓度高时可达50%。硅溶胶粒子比表面积为50400 m2g，粒径范围一般在5100nm，即处于纳米尺度，与一般粒径为0.110m的乳液相比，其颗粒要小得多。硅溶胶的胶团结构用以下化学式表示（1）物理性质：硅溶胶属胶体溶液，无臭、无毒。因为在硅溶胶当中的二氧化硅含有大量的水及羟基，因此硅溶胶的表达式为SiO2.nH2O。硅溶胶没有什么毒性，可以普遍的应用于有人的地方。因为硅溶胶的胶体粒子非常的小，有着相当大的表面积。另外，它没有什么味道，不会被人轻易的发现。胶体粒子的是无色透明的，因此不会影响覆盖物的本色。粘度较低，水能渗透的地方都能渗透，因此和其它物质混合时分散性和渗透性都非常好。（2）化学性质：硅溶胶当中存在着许多的二氧化硅，因此，不能应用于那些能与二氧化硅反应的地方，如它能与氢氧化钙发生反应，生产硅酸钙，从而使产品变质了。因此在存储的时候要有所注意，不能存储在那些能与二氧化硅反应的材料中。当硅溶胶水分子被蒸发后，胶体粒子能牢固地附着在物体表面，粒子间形成硅氧结合，是很好的粘合剂。国际上从四十年代开始生产工业用硅溶胶，我国从1958开始硅溶胶的生产与应用。但长期以来，产品品种、质量、数量、用途同发达国家相比都有很大差距。90年代始，这种情况已有了大幅度改观，特别是硅溶胶应用领域的不断拓宽，带动了整个硅溶胶工业的发展。1.1.2硅溶胶性能（1）硅溶胶具有较大的吸附性：硅溶胶中无数胶团聚产生的无数网络结构孔隙，在一定的条件下能对无机物及有机物具有一定的吸附作用。 （2）硅溶胶具有较大的比表面积：比表面积一般为250300m2/g。（3）硅溶胶具有较好的粘结性：自身风干即产生一定的粘接强度，但强度较小，如将硅溶胶加入某种纤维或粒状材料中，然后干燥固化即可成坚硬的凝胶结构，会产生较大的粘接性（一般46.7Kg/C左右）。（4）硅溶胶具有良好的耐温性：一般可耐1600左右。（5）硅溶胶具有自身一般绝缘，但加入石墨等导电材料中，又会具有一定的导电性。（6）硅溶胶具有较好的亲水性和憎油性：可以用蒸馏水稀释至任意浓度，而且随稀释度的增加，稳定性增强，但加入有机物或多种金属离子中，又可产生憎水性。硅溶胶具有较强的憎油性。 此外，硅溶胶具有“高度的分散性”，“较好的耐磨性”和良好的“透光性”等。因此，可作为良好的“分散剂”，“防腐剂”，“絮凝剂”，“冷却剂”和特殊的“光学材料”等。（7）硅溶胶在很大的pH值范围内是稳定的，在特定的条件下，单独能形成连续的粘附的硬薄膜（如1微米）。在使用中受pH值的影响较少。所以应从实际出发，对于给定的硅溶胶在实际使用条件下，经验的确定使用时的pH值。小颗粒的硅溶胶对酸、碱、盐（强电解质）反应比较敏感。1.2硅溶胶用途（1）用作各种耐火材料粘结剂，具有粘结力强、耐高温(1500-1600)等特点。（2）用于涂料工业，能使涂料牢固，又能抗污防尘、耐老化、防火等功能。（3）用于薄壳精密铸造，可使壳型强度大、铸造光洁度高。用其造型比水玻璃造型质量好，代替硅酸乙酯造型可降低成本和改善操作条件。（4）硅溶胶有较高的比表面积，可用于催化剂制造及催化剂载体。（5）用于造纸工业，可作为玻璃纸防粘剂、照相用纸前处理剂、水泥袋防滑剂等。（6）用作纺织工业上浆剂，它与油剂并用处理羊毛、兔毛的可纺性，减少断头，防止飞花，提高成品率，增加经济效益。（7）用作矽钢片处理剂、显像管分散剂、地板蜡抗滑等。2硅溶胶生产方法2.1制备工艺根据不同的工艺路线，制备硅溶胶的方法主要有：离子交换法、单质硅溶解法、直接酸中和法、胶溶法、电解电渗析法等等。其基本原理都是去掉易溶于水的钠离子。根据我公司实际需要，主要介绍以下几种。2.1.1离子交换法离子交换法又称为粒子增长法。这种方法采用水玻璃为原料，经过离子交换反应，晶种的制备，粒子增长反应，浓缩，纯化等过程制备出硅溶胶产品。离子交换法的具体过程为：(1)离子交换反应首先将水玻璃用蒸馏水稀释，按一定流速通过阳离子交换树脂层，使水玻璃中Na+与阳离子交换树脂上的H+进行离子交换，并随时取样检查。此时，水玻璃中的Na+已被去除，H+与水玻璃中的SiO32-离子化合成具有活性的聚硅酸溶液稀液流出。离子交换反应式为：再把从阳离子交换树脂流出的聚硅酸溶液稀液通过阴离子树脂交换柱，去除液体中的阴离子(C1-)，使体系达到更加稳定的状态。当阴柱流出液中的阴离子(C1-)浓度达到一定数值时，需要NaOH溶液进行树脂再生；而当阳离子交换树脂进行离子交换后，已失去交换能力，需用盐酸稀液洗涤，用HCl中的H+离子取代RSO3Na+树脂上的Na+，而使树脂再生。这样就得到了高纯的弱酸性聚硅酸溶胶。经离子交换后生成的聚硅溶液浓度很低、稳定性很差，其pH=23，需加入少量的稳定剂如NaOH溶液。加稳定剂必须定量快速的一次性加完。并迅速搅拌，以尽快超越中性区使溶胶很快达到pH=8.510.5，即溶液呈稳定状态的区域。(2)晶种的制备将上述制得的添加稳定剂后的聚硅酸溶液进行结晶。由结晶学原理可知，要形成一个新的溶胶相，就必须经过2个阶段，即晶核的形成和晶体的长大，2个过程共同影响胶粒的大小。由此得到的含有胶粒的溶液就称为母液。(3)粒子增长反应就是晶体的长大，即将聚硅酸溶液按一定速度加入母液中。此步骤关键在于加入聚硅酸溶液的速度，过快或是过慢均不利于形成粒径大小适宜、分布均匀且保证胶粒是逐渐长大的硅溶胶。(4)浓缩结晶所得的聚硅酸溶胶中所含二氧化硅的量较低，可采取加热蒸发浓缩、超滤机浓缩、真空减压浓缩等方法进行浓缩。浓缩过程中，要不断取样化验，待达到浓度要求时即可制得硅溶胶。(5)纯化上述所制产品含有少量杂质，可用离心分离法除去杂质，制得较纯的硅溶胶产品。2.2 直接酸中和法直接酸中和法一般采用稀水玻璃作为起始原料，经过离子交换除去钠离子，然后通过制备晶核，直接酸化反应，晶粒长大等步骤可制得硅溶胶。(1)离子交换除去钠离子：用离子交换树脂除去原料中的钠离子，制得SiO2Na2O重量比较大的稀溶胶，稀溶胶中钠离子含量已较低。(2)制备晶核：将上步骤制得的稀溶胶加热并停置一段时间，在稀溶胶中逐渐形成数毫微米大小的晶核，与离子交换法中的粒子增长反应步骤相似。(3)直接酸化反应：将稀水玻璃原料及酸化剂(如稀硫酸)持续加入到前述制得的含晶核的稀溶液中，加入过程应注意控制混合液中钠离子的浓度、混合液加热温度、pH值、加入时间等条件。(4)晶粒长大：上述混合液在控制适当条件下，进行晶粒长大过程，持续长大过程之后，即可制得硅溶胶成品。2.3 电解电渗析法电解电渗析法制备硅溶胶是一种电化学方法。在电解电渗析槽中加入电解质，调节电解质溶液的pH值，控制电解电渗析反应的电流密度、温度等反应条件，在装备有合适的电极(如析氢电极、氧阴极)的电解电渗析槽中反应后可制取硅溶胶成品。本法中电解质的加入使胶粒增长为非自发过程。随着钠离子的迁移，单硅酸不断生成。由于是在一定温度下操作，故升温过程中会发生单硅酸H4SiO4的聚合反应，使小粒子的粒径得以长大。以这些小粒子作为成核剂，在电解电渗析过程中，生成的单硅酸会附着在这些小粒子上，与胶粒表面的硅羟基发生聚合，使胶粒的粒径得以增长。2.4 胶溶法胶溶法制备硅溶胶是先用酸中和水玻璃溶液形成凝胶，所得凝胶经过滤，水洗，然后加稀碱溶液，在加压加热条件下解胶即得溶胶。具体方法如下：(1)制备凝胶：在酸性条件下，将酸性试剂(如硫酸)与原料水玻璃反应，常温下静置数小时，水玻璃在酸性试剂的作用下产生凝胶，凝胶可与溶液分离。该步骤也可在碱性条件下进行。(2)加入溶解液：将凝胶与适量的溶解液混合。溶解液可用碱性溶液(如含NH4+溶液)及脱盐水配制而成，溶解液的碱性有利于凝胶溶解。(3)溶胶过程：将加入凝胶的溶解液置于高压釜中加热。高压釜中产生较高内压，釜内混合液中的凝胶逐渐溶解，数小时后可制得硅溶胶成品。该制法得到的硅溶胶粒径分布较宽，纯度较低。硅溶胶的离子交换工艺为美国的NALCO公司在上世纪40年代开发，后由美国杜邦公司等在五，六十年代完善，目前为最成熟也是最为广泛使用的工艺。该工艺对水玻璃、离子交换树脂等材料以及操作工艺有一定的要求，而这些正是国产品的弱势。相对来说，硅粉一步水解法的工艺比较简单，目前在国内被广泛使用。然而，用该法制备的硅溶胶通常颗粒大小在10-20纳米左右，颗粒间的界面不清晰，形貌为非球形且无法控制，颗粒间的界面不清晰，故通常只是被大量使用在铸造等行业，而在精密抛光，催化剂等许多要求更高的领域则无大建树。 与国际知名硅溶胶品牌相比，目前国产硅溶胶的主要缺点为杂质含量高、颗粒大小无严格控制、颗粒比表面不受严格检测、二氧化硅的浓度低、酸性或中性条件下稳定性差、使用周期短、或多或少带点颜色、品种少等等。目前国际知名硅溶胶品牌有杜邦以及格雷斯的LUDOX系列。3硅溶胶市场前景硅溶胶是我国化工行业的一种重要产品，普遍的使用在各个行业当中。目前，我国生产硅溶胶的企业非常的多，虽说没有上千家，但是上百家的规模是有的。另外，我国的硅溶胶生产企业也开始出现了一些比较有名的品牌，如浙江的宇达化工。这些企业在发展中有着极好的优势。我国的最早的硅溶胶溶液出现于1915年。专家首次以水玻璃为原料，采取了电渗析法工艺，成功制备了含二氧化硅质量分数2.4%的硅溶胶。不过因为是首次生产出来的，其浓度不够，因此现实意义不大，并没有进行大规模的生产。直到1941年，我国采取了离子交换法，从而生产出了高浓度的硅溶胶。从此，硅溶胶进入了大规模的生产和应用。作为无机高分子材料，硅溶胶被普遍的使用在纺织、涂料、造纸等行业。同时，它在化学机械抛光、水处理、矿物浮选等工艺中也有重要应用。虽然硅溶胶出现了大规模的生产，但是其实际的品质却没有得到提高。在硅溶胶的制作上，国内的厂家广泛使用的技术是硅粉一步水解法。这是由于硅粉一步水解法的工艺比较简单。但是用该法生产出来的硅溶胶颗粒大小在10到20纳米左右，且颗粒的表面也不清晰，无法在对硅溶胶有着极高要求的行业使用，如铸造业。这就使我国硅溶胶在精密抛光等行业没有大的突破。国际上使用的硅溶胶制作方式是用离子交换工艺。该工艺对技术有着一定的要求，同时生产出来的颗粒小且表面清晰。这就使我国的硅溶胶行业与国外有着极大的差距，加快技术改革成为国内企业的当务之急。随着技术的突破，硅溶胶的应用行业将不断地增加，占据更多的市场。精密铸造、无机涂料、高技术陶瓷、化学抛光、催化剂制备等硅溶胶的应用领域都处于蓬勃发展阶段，生产规模日扩大，对硅溶胶的需求量也越来越大。同时，随着人们研究不断深入，硅溶胶的应用领域还会不断增加。这都预示硅溶胶行业有着美好的发展前景。近年来硅溶胶的生产呈现出快速发展态势，产品类型趋于细