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硅溶胶的性质、制备和应用

来源:中国化工信息网2007年8月3日

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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。硅溶胶最早的研究始于1915年，Schwerin以水玻璃为原料，采用电渗析法制备了硅溶胶，不过由于硅溶胶浓度太稀，SiO2质量分数仅为2.4%，因而实用意义不大。直到1941年Bird以离子交换法制得稳定的较高浓度硅溶胶，才使得硅溶胶能够实现大规模的工业化生产和应用。据统计，目前世界硅溶胶年消费量达2.5-2.8万t(以SiO2计)。作为一种重要的无机高分子材料，硅溶胶已广泛应用于化工、精密铸造、纺织、造纸、涂料、食品、电子、选矿等领域。我国从1958年就开始了硅溶胶的研制与生产，但在硅溶胶品种、质量方面还远远不及兴旺国家，特别是在高浓度、大粒径硅溶胶和快干增强硅溶胶的生产和应用上还刚刚起步，有待于进一步研究与开发。介绍了硅溶胶的性质，以及硅溶胶制备及应用的研究进展。

1硅溶胶的性质

硅溶胶外观为乳白色半透明的胶体溶液，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%。硅溶胶粒子比外表积为50-400m2/g，粒径范围一般在5-100nm，即处于纳米尺度，与一般粒径为0.1-10μ

硅溶胶的胶团结构用以下化学式表示

([SiO2]mnSiO32-2(n-x)H+)2x-·2xNa+

胶核吸附层扩散层

胶粒(反离子)

胶团~

m，m，很大，且mn。

硅溶胶具有如下特点：

1)溶胶是低粘度的胶体溶液，分散性好，可充分浸入充填到固体物，特别是多孔性物质中，并使其外表平滑；

2)硅溶胶具有良好的粘接性，通过枯燥或烧结，可形成巩固的膜，不仅成膜温度较低，而且一旦成膜就不会再溶解在水中和变质；

3)硅溶胶粒子外表的硅醇羟基和吸附水可提高润湿性，通过金属离子取代硅溶胶中的局部硅原子可控制硅溶胶的带电性；

4)硅溶胶具有优良的反响性，并能在均相进行，通过与有机树脂的均匀混合，可改良其机械、光学及电性能。

2硅溶胶的制备

硅溶胶的制备可以采用不同的工艺路线，水溶性硅酸盐、SiCl4、(RO)4Si或元素Si等均可作为硅的来源，其制备过程可用图1(略)表示。

硅溶胶的制备方法主要有以下几种：

2.1单质硅一步溶解法

单质硅一步溶解法的制备原理是，硅粉在碱的催化作用下，与水反响，生成水合硅酸，水合硅酸在水介质中逐渐聚合，由单体自行脱水渐渐聚合成二元体、三元体乃至多元体，成为水合硅酸的水溶液，即硅溶胶。该方法的优点是硅溶胶成品中杂质含量少，二氧化硅的胶粒粒形、粒径、粘度、pH值、密度、纯度均易控制，胶粒外形圆整均匀，结构致密，硅溶胶的稳定性较好。

其反响方程式为：

NaOH

mSi+(2m+n)H2O————→mSiO2+

65-90℃(2m+n)H2

单质硅一步溶解法制备硅溶胶的工艺流程为：

硅粉催化剂H2OH2

↓↓↓↑

活化处理——→水化反响→静置过滤→硅溶胶→枪测

硅粉的活化主要是为了除去硅粉外表形成的惰性膜，较好的方法是先用质量分数为48%的氢氟酸洗涤，然后依次用纯水、醇、醚冲洗，最后在氮气保护下枯燥。

2.2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，经过离子交换反响，品种的制备，粒子增长反响，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)离子交换反响

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SO32-离子化合成具有活性的聚硅酸溶液稀液流出。离子交换反响式为：

2RSO3-H+Na2nSiO2→

2RSiO3Na++(nSiO2+H2O)

阳柱硅溶胶

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，去除液体中的阴离于(Cl-)，使体系到达更加稳定的状态。当阴柱流出液中的阴离子(Cl-)浓度到达一定数值时，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