硅溶胶的应用.doc

硅溶胶的应用07材料 周青 董卫龙 方高斌 卓祥俞摘要: 文章介绍了硅溶胶的主要要性质和应用领域.以及国内外硅溶胶领域的发展现状.并阐述了硅溶胶制各的基本方法及其优缺点。离子交换法、中质硅水解法是I前工业化最成熟的工艺。开发新的硅溶胶制各工艺.制造高浓度、高纯度、高稳定性、特殊用途硅溶胶产品是硅溶胶制各研究的发展趋势。关键词 :硅溶胶 ;应用 前言硅溶胶为乳白色或淡青色透明溶液 ,基本成分为无定型的二氧化硅 ,分子式为 m SiO2nH2O ,其中SiO2以胶团(下图为碱性钠型硅溶胶胶团结构示意图 )形态分散在水或有机溶剂中 。硅溶胶具有许多特殊的性能 :( 1) 硅溶胶胶团为纳米级 ,直径一般为10 100nm ,因而具有较大的比表面积和吸附能力 。( 2) 硅溶胶具有较好的粘结性 ,在硅溶胶中加入某些纤维或粒状材料 ,干燥固化可成坚硬的凝胶结构 ,会产生较大的粘接性 。( 3) 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 ,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后又可产生憎水性 。此外 ,硅溶胶还具有高度的分散性 ,较好的耐磨性和良好的透光性等特点 。由于硅溶胶有以上这些优良性质 ,并且对人类环境无害 。近年来 ,涂料 、粘接剂 、耐火绝热材料 、陶瓷 、纺织 、冶金 、精铸 、造纸 、制药等行业对硅溶胶的需求日益增大 。特别是无机高分子建筑涂料的兴起 ,为硅溶胶的大量应用开辟了广阔的市场 。随着电子工业迅速发展 ,硅晶片抛光行业对硅溶胶的需求量也快速增加 。目前 ,发达国家的常规硅溶胶制备技术已趋于成熟 ,制备抛光用大粒径硅溶胶 ,研制有机溶剂硅溶胶和开发特殊用途的新型硅溶胶以及通过改性开拓硅溶胶应用新领域已成为新的研究热点 。与国外相比 ,我国的硅溶胶在粒径和胶粒均匀性方面还有待改进 ,许多特殊用途的硅溶胶还不能生产 ,限制了硅溶胶的应用 。近几年国内一些学者在大粒径硅溶胶 、有机硅溶胶和改性硅溶胶方面也作了不少工作 。1硅溶胶的制备方法按工艺分硅溶胶的制备方法主要有 :离子交换法 、单质硅水解法 、电解电渗析法 、酸中和法 、胶溶法 、聚合溶胶法等 。由于硅溶胶有着许多有益的物理化学性能 ,使其在生活和现代工业各个领域中应用十分广泛 。1. 1硅溶胶在铸造行业中的应用 硅溶胶在铸造行业中可用作制做陶瓷模壳的粘结剂1 。硅溶胶代替硅酸乙酯应用于精密铸造 ,不仅降低成本 ,而且还可以改善劳动条件 。用于薄壳精密铸造时 ,可使壳型强度高 、尺寸精度高 、铸件光洁度好 ,造型比水玻璃质量好 ,又比硅酸乙酯价廉 。对大型铸件 ,表面光洁度要求高的铸件以及要求无余量或少余量的铸件尤为适用 。把硅溶胶用作铸模的耐高温涂料 ,可使涂层具有良好的耐热性 、耐磨性 ,可以减少高温下熔融金属对模具的损耗 ,并有助于脱模 。1. 2硅溶胶在纺织上的应用 在纺织工业上 ,用硅溶胶处理过的织物强度高 ,尺寸稳定 ,回复弹性高 ; 硅溶胶和合毛油并用 ,能增加纤维之间的抱合力 ,增大抗张力 ,提高了生产效率 ,纺出高支数的产品 ; 把硅溶胶应用于树脂处理中 ,可防止合成纤维的滑移 ,增强耐洗涤和磨损的能力 2;使用硅溶胶处理合成纤维登山绳 ,可增加单纤维间的摩擦 ,提高强度减少伸长 ;用硅溶胶处理化学纤维 ,还可以获得消光效应 。硅溶胶还可在织物染色中使用 。因为它具有粘结性 ,又可以形成优良保护液 ,帮助颜料粘附在织物表面上 ,增加染色的均匀度和牢度 ,防止颜料凝聚 ;把颜料量60%的硅溶胶添加到淀粉胶中 ,用来处理织物 ,可防滑 、防尘 ,可防止静电 ,不粘尘土 。利用溶胶- 凝胶技术可以在各种纺织品上形成透明的 、粘附性强的二氧化硅薄膜 ,这种薄膜易于进行物理或化学改性 ,从而可使织物具有许多新的功能 ,如 :利用纳米胶层将生物活性物质固定在织物上可制备有生物活性的织物 ;在织物上形成的改性过的二氧化硅薄膜 ,能增加织物的表面性能 ,提高织物的耐磨强度 、抗静电性 、抗粘性和拒水拒油性等 ;另外 ,形成的二氧化硅薄膜还能改变织物的光学性能 ,用于棉织物的阻燃整理 。1. 3硅溶胶在造纸业上的应用 硅溶胶作为一种优良的助留助滤剂 ,用于造纸工业中能显著改善网部的滤水性 ,提高压榨部的脱水速度 ,大大提高首程留着率和纸张匀度 。近年来随着高速纸机的应用和发展 ,硅溶胶的应用倍受重视 。1. 4硅溶胶在催化剂方面上的应用 用硅溶胶制得的硅胶粒子分布均匀 ,具有较大的比表面积 ,孔容 、孔径大小及分布皆能满足载带催化剂的要求 ,并在选择性和活性方面有优势 。 SiO2浓度为40%的硅溶胶 ,已被成功地用于生产丙烯腈催化剂 C - 41的载体 。其它还有苯氧化为顺酐 ,甲基丙烯酸甲酯的合成 ,碳氢化合物的氯化 ,醇类的脱氢等的催化剂均可用其作载体 3。1. 5硅溶胶在涂料工业中的应用当前外墙涂料成膜物主要为有机乳液 ,挥发性组分含量较高 ,有大量的有机残留 。随着人们环保意识的加强 ,开发对环境无害 ,甚至有一定环境协调功能的外墙涂料显得非常迫切 。硅溶胶作为成膜物有很大优势 ,随着水分的挥发 , SiO2粒子间能形成牢固的Si - O 键而成为连续涂膜 。硅溶胶用作外墙建筑涂料 ,具有耐水 、耐候 、耐火 、耐污 、耐高温 、涂膜硬度大 、色泽鲜艳 、不褪色等优点 ,可用于耐酸 、耐硬度大 色泽鲜艳 、不褪色等优点 ,可用于耐酸 、耐碱 、防火 、防水和防红外线辐射涂料 。文献 12 中报道以TEOS为先体 ,在硫酸乙酯催化下初步水解 ,在碱性条件下 ,将水解液与钛酸四丁酯( TBO T) 、甲基三乙氧基硅烷 (M TES)继续缩聚反应后得到高浓度改性硅溶胶 ,改性后的硅溶胶涂膜塑性与强度都有了一定程度的提高 。1. 6硅溶胶在陶瓷制造中的应用先进陶瓷材料在高温 、高机械强度和重腐蚀环境等苛刻条件下有比金属和高分子材料更优越的性能 ,被广泛应用于各个领域 。但是烧成后陶瓷部件的加工难度大 ,工艺复杂加工成本高 ,限制了其应用 。成型工艺作为制备先进陶瓷材料的关键技术 ,一直受到高度重视4 。有将硅溶胶的凝胶特性运用于陶瓷胶态成型中 ,把硅溶胶与陶瓷粉料混和制备得到浆料 ,通过硅溶胶凝胶化反应生成的Si - O - Si网络空间结构从而实现浆料的固化 ,制备出具有一定强度和微观结构均匀的陶瓷坯体 。该方法成型得到的坯体具有较高的强度和均匀的显微结构 ,并且该方法还具有毒性低 ,固化速度快等优点 。1. 7硅溶胶用作抛光剂磨料粒子20世纪60年代以来 ,电子工业迅猛发展 ,对硅片质量的要求也越来越高 ,人们对抛光材料日益重视并作了深入研究 。将大粒硅溶胶作单晶硅抛光剂 ,不仅效果好 ,而且抛光速度快 。有对化学机械抛光用硅溶胶作了大量细致的工作 。他们以水玻璃为主要原料 、采用多次生长法 ,低zeta电位生长 、高电位陈化等控制过程 ,生产出具有不同粒径 、稳定的碱性单分散硅溶胶产品 ,并实现120nm 大粒径硅溶胶的可控生长 ,突破大粒径的难题 ,并采用离子交换法对产品进行处理 ,使其金属离子含量降到10- 6级 ,达到了微电子工业对相关耗材的要求 。1. 8硅溶胶可作澄清剂硅溶胶可作为酱油和米酒的澄清剂 ,不仅不影响食品的色 、香 、味 ,而且二氧化硅对人体无毒害 ,还有一定防癌抗癌作用5 。A Z电子材料美国公司在中国申请的一份专利中指出酸性阴离子硅溶胶是一种极好的用于澄清和稳定液体食品的试剂 。1. 9硅溶胶在喷墨涂层中的应用 日本日产化学工业株式会社研制成功用作墨水容纳层和喷墨记录介质的念珠状硅溶胶 。硅溶胶作为喷墨涂层配方中的基本颜料成分 ,具有以下优点 :1)优秀的打印清晰性和光学密度 ; 2 )良好的油墨分散 、吸收性 ,促进油墨快干 ; 3 )很大程度上减少基料粘合剂 )用量 ; 4 )硅溶胶以液态形式存在 ,不存在把干粉SiO2混合成浆料时的粉化和润湿等问题 。另外 ,硅溶胶还能用于金属防腐蚀 ,用作橡胶增强剂 ,硅酸盐粘结剂 ,以硅溶胶为主要原料的硅酸盐耐火纤维 ,被作为保温绝热材料广泛应用于工业炉等设备上 ;酸性硅溶胶与硫酸混合后生成的硅胶体是胶体铅酸蓄电池的理想不流动电解质6 ;硅溶胶制取的防滑地板蜡防滑效果好 ,且不影响光泽柔和 ;燃料油中加入少量的硅溶胶 ,能防止燃烧后的灰渣在柴油机上集结 ;用硅溶胶处理化纤装璜物品 ,可使其抗污染性提高二倍 。2 展望精密铸造 、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 ,生产规模日益扩大 ,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 ,产品类型趋于细化 ,特殊用途硅溶胶不断涌现 ,技术进步促使应用领域不断拓展 。以有机硅溶胶 ,大粒径 、高纯度 、抛光用硅溶胶为代表的特殊用途硅溶胶是今后硅溶胶发展的亮点 。北美 、欧盟 、我国 、日韩和东南亚地区是主要的技术研发和市场所在地 ,产能集中 ,特点明显 ,产品已经趋向高附加值 、高含量 、高纯度 、大粒径等高科技方向发展 。当前常规硅溶胶的利润空间已经越来越小 ,这就要求硅溶胶公司加大研发投入 ,抢占高端市场 ,同时开发特殊用途硅溶胶种类 ,根据各个应用领域的不同生产不同规格的硅溶胶 。这是硅溶胶产业未来发展的战略要求 。参考文献 1 王娟 , 刘玉岭 , 檀柏梅 ,等.化学机械抛光用SiO2研磨料的制备及其后处理 J . 电子器件 , 2005, 28 ( 3 ) : 536538. 2 姜德源 , 刘继红 .硅粉溶解法制备硅溶胶的新工艺 J .哈尔滨师范大学自然科学学报 , 1998, 14 ( 1) : 5659. 3 李永伦 ,王力. 用金属硅粉制备硅