二氧化(huà)矽膠體微粒的溶液“矽溶膠”能幹啥(shá)？

　　Silica Sol矽溶膠是二氧化矽膠體微粒在水中均勻分散形成的膠體溶液，具有(yǒu)許多優良性質和(hé)特點，作爲一種精細化工産(chǎn)品，現已(yǐ)被廣泛應用于化(huà)工、材料、紡織、造紙、電子等工業領域。早在1915年，Schwerin首次以(yǐ)水玻璃爲原料，采用電滲析法制備(bèi)出含二氧(yǎng)化矽質量(liàng)分數2.4%的矽溶膠，隻是濃度太低，并沒(méi)有什麽實際(jì)應用意義，1941年Bird利用離子(zǐ)交換法制得高濃(nóng)度的矽(xī)溶膠後，才得以大規模的生産和應用。本文将對“矽溶膠”的制(zhì)備工藝及應用範疇做簡單整理。

　　不同濃度的矽溶膠

　　一、簡單了解一下矽溶膠

　　矽溶膠外觀爲乳(rǔ)白色半透明的膠體溶液，多呈穩定的堿性，少數(shù)呈酸性，矽溶(róng)膠中SiO2的濃度一般爲10%~35%，濃(nóng)度高時可達50%。矽溶(róng)膠粒子比表面積爲50~400m2g，粒徑範圍一般在5~100nm，處于納米尺度，與一般粒徑(jìng)爲0.1~10um的乳液相比，其顆粒要小得多，分子(zǐ)式可表示爲mSiO2.H2O，矽溶膠的膠(jiāo)團結構用以下化學式表示。

　　二、二氧化矽膠(jiāo)團結構

　　矽溶膠是具有膠體特性、質(zhì)點近似球體、帶(dài)負電(diàn)的溶膠，ζ電位、布朗運動及足夠的(de)溶劑阻隔三大因素賦予(yǔ)其聚結穩定性和動力(lì)學穩定性，膠粒爲介穩相，始終存在自發(fā)聚結(jié)的傾向。三大穩(wěn)定(dìng)因素隻要有一種被削弱，它(tā)就會自動聚結，産生凝膠(jiāo)或聚(jù)沉(chén)。矽溶膠粒子的内部結構爲(wèi)矽氧烷鍵(jiàn)(-Si-O-Si-)，表面層由許多矽氧醇基(-SiOH)和羟(qiǎng)基(-OH)所覆蓋(gài)，它們同膠體(tǐ)溶液中(zhōng)存在(zài)的堿金屬離子一起形成擴散(sàn)雙電層，粒(lì)子間的(de)靜電作用對膠體溶液的穩定起重要作用。

　　矽溶膠中二氧化矽的粒(lì)子(zǐ)大小是一重要質(zhì)量指标，它對溶膠的許多性能都有重要影響。首先，粒子大小影響矽溶膠的穩定性，在等量穩(wěn)定劑條(tiáo)件下，粒子越(yuè)大穩定(dìng)性(xìng)越好，粒子越小膠(jiāo)凝越快。因此，爲制造高濃度和性能(néng)穩定的矽溶膠，應(yīng)設法使粒(lì)子尺寸(cùn)足夠大。通(tōng)常粒徑大(dà)于20nm，濃度高于40%的矽溶膠通(tōng)常被稱作大粒徑高濃度矽溶膠。

　　應用在催化劑載體和高耐(nài)火度要求的行業，所需要的矽溶膠(jiāo)濃度要達(dá)到40%左右，通過再濃縮法得(dé)到矽溶膠(jiāo)所能(néng)達到的最高濃度與(yǔ)其溶膠顆粒自身粒徑大小有關，由于小(xiǎo)的粒子穩定性較差(chà)，所以粒徑(jìng)小于15nm的普通矽溶(róng)膠産品濃度一般隻能達到30%，而粒(lì)徑大于20nm的矽溶膠産品濃度則可以達到(dào)40%甚至50%以上。

　　三、矽溶膠制備(bèi)方法

　　自矽溶膠問世以來(lái)，對其制備方(fāng)法的研究非常活(huó)躍。就原理而言，矽溶膠有2種制備方法(fǎ)：①利用溶液中化學反(fǎn)應生成的SiO2超(chāo)微粒生長、成核，制得矽溶膠的方法爲凝聚法;②利用(yòng)機械将SiO2微粒在一定條件下分散于水中制得矽(xī)溶膠的(de)方法(fǎ)爲分散法。就工藝而言，可分爲矽粉溶解法、離子交換法、膠溶法、分散法(fǎ)等。

　　1、矽粉溶解法。采用無機或有機堿作催化劑，以單質矽與(yǔ)純水反應來制備矽溶膠的方法(fǎ)稱爲(wèi)矽粉溶(róng)解法。

 

工藝流程圖及反(fǎn)應方程式

　　工藝簡析：矽粉在堿的催化作用下(xià)，與水反應，生成水合矽酸，水合矽酸在水介質(zhì)中逐漸聚合(hé)，由單體自行脫(tuō)水(shuǐ)漸漸聚合成二元體、三元體乃至多元體，即成爲水合(hé)矽酸的水溶液，就是矽溶膠。工藝過程中的(de)矽粉的活(huó)化主要是爲了除去矽粉表面形成的惰性膜，較好的方(fāng)法是(shì)先用質量分數爲48%的氫氟酸(suān)洗滌，然後(hòu)依次用(yòng)純水、醇、醚沖洗，最後在氮氣保護下幹燥。

　　該法的優點是(shì)矽溶膠成品中(zhōng)雜質(zhì)含量少，二氧化矽的膠粒粒形、粒徑、黏(nián)度、pH值、密度(dù)、純度等易控(kòng)制，膠(jiāo)粒外形圓整均勻，結構緻(zhì)密，矽溶膠(jiāo)的穩定性較好。

　　2、離子(zǐ)交換法。離子交(jiāo)換法又稱粒子增(zēng)長法，用水玻璃爲原料。一般(bān)步驟爲：陽離子交換(huàn)反應制備活性矽酸溶液→調節活性矽酸(suān)溶液pH值→陳化制備晶種→向含晶種的母液中添加活性矽酸溶液(yè)促使晶種生(shēng)長→最後純化濃縮制備得矽溶膠産品。

　　每個步驟對最終矽溶膠産品均有直接的影響。制備(bèi)均勻性良好的晶種是制得優質矽(xī)溶膠的基礎，晶種生長階段要嚴格控制矽酸溶液加(jiā)入量使體系中矽酸濃(nóng)度始(shǐ)終處于最低成核濃度和飽和濃度之間，防止産生新的晶核，實現單純的粒徑增長。

　　3、電解電滲析法。電解電(diàn)滲析法制備矽溶膠是一種電(diàn)化學方法(fǎ)。在電解電滲析槽中加(jiā)入電解質，調節電解質溶液的pH值(zhí)，控制電解電滲析反應的電流密度、溫度等反應條件，在裝備(bèi)有合适(shì)的(de)電極(如析氫電極、氧(yǎng)陰極)的電解電滲析槽中反應後可制取矽溶(róng)膠成品。該法制備矽溶膠的操作條件可控制，便于(yú)優化矽溶膠成品的質量，是有開發(fā)價值的電化學方法(fǎ)。

　　4、膠溶法(fǎ)。膠溶法制備矽溶膠是先用酸中和水玻璃溶(róng)液(yè)形成凝膠，所得凝膠(jiāo)經過濾，水洗，然(rán)後加稀(xī)堿溶液，在加壓加熱條件下解膠即得溶膠。該法制得的矽溶膠粒徑分布較寬，純度較低。

　　5、酸(suān)中和法。酸中(zhōng)和法一般采用稀水玻(bō)璃(Na2O.xSiO2)作爲起始原料，稀硫酸等(děng)無機酸作爲酸化劑。根據酸用(yòng)量的不同，可制(zhì)備酸(suān)性或堿性矽溶膠。具體工藝步驟包括離子交(jiāo)換去除鈉離子、制備晶核、酸中和反應、晶粒增長。酸中和法制得的矽溶膠一般雜質離子含量較(jiào)高，穩定性較差。

　　6、分散法。分散法(fǎ)是利用機(jī)械方法将二氧化矽微粒分散在溶劑中(zhōng)制備矽溶膠的物理(lǐ)方法。有報道“利用合适的分散工藝和添加劑，可将氣相二氧化矽粉末(mò)分散在水溶液中制得穩定時(shí)間高達1年，黏度低達1mPa·s的高性能矽溶膠。”

　　四(sì)、矽溶膠的基本特性(xìng)及應(yīng)用

　　性質決(jué)定用途，先來瞅瞅矽溶膠(jiāo)的特性：①具(jù)有較(jiào)大的吸附性，矽溶(róng)膠中無數膠團産生的無數網絡(luò)結構空隙，在一定條件下能夠對無機物及有機物具有一定的吸(xī)附作用;②具(jù)有較大的比表面積(jī);③矽溶(róng)膠具有較好的粘結(jié)性，自身風幹即産生一定的粘結強(qiáng)度，但強度較小，如果将矽溶膠加入到某種纖維或粒狀材料中，然後幹(gàn)燥固化即可成爲堅固的凝膠結構(gòu)，會産生較大的(de)粘(zhān)結性;④ 良好的耐溫性;⑤矽溶膠具有高度的分散性、較好的耐磨性和良好的透光性等，因此可以做(zuò)良好的分(fèn)散劑、防腐劑、絮凝劑、冷卻劑等等。下面對矽溶膠部分(fèn)經典應用簡單整理。

　　1、催化劑載體

　　矽溶膠具有較(jiào)大的比表面積，制(zhì)得的(de)矽膠粒子均(jun1)勻，孔徑和分布容易控制，是制備催化劑載體的最佳原料(liào)。氧化矽是第二大(dà)的催載體原料(一哥是氧化鋁)。

　　案例(lì)：美國Sohio化(huà)學公司氨(ān)氧化法制(zhì)備丙烯(xī)腈所用的催化劑C41，就是将催化劑活性組分與矽溶膠混合，經噴霧幹燥後(hòu)制得的，其活性分布(bù)均勻，能使丙烯腈産(chǎn)率提高30%~40%。

　　2、半導體基片抛光

　　20世紀60年代以前，半導(dǎo)體基片抛光還大都沿用微(wēi)米級磨料機械抛光，得到的(de)機械抛光表面(miàn)存在嚴重損傷(shāng)。1965年Walsh和Herzog提出(chū)SiO2溶膠和凝膠抛光後(hòu)，以SiO2漿料爲代表的化學(xué)機械抛光工藝就逐漸代替了以上舊方法。

　　而(ér)二氧化矽水溶膠則是(shì)目前(qián)最具(jù)代表性的CMP用抛光漿料研磨微粒。目(mù)前主要采用分散法，即将納米SiO2粉末利用機械手段分散于水溶液中以獲得SiO2 CMP漿料。研究證明，在相同的抛光條件下，磨料的顆粒大小(xiǎo)、形狀和單分散性等是影響(xiǎng)抛光表(biǎo)面質量的重要因素。目前，在矽晶片化學機械抛光中(zhōng)普遍使用粒徑50～80nm左右的球形二氧化矽磨料。将粒子的矽溶(róng)膠做單晶矽抛光劑，不僅效果(guǒ)好，而且抛(pāo)光速度快。

　　3、紡織工業

　　可以用做(zuò)紡織上漿(jiāng)助劑，減少斷頭率;在織物染色中(zhōng)使用，因具有粘結性，可以形成優良的(de)保護(hù)液，增加(jiā)染色的附着力等等。

　　案例：矽(xī)溶膠與(yǔ)油劑并用，對(duì)羊毛進行噴霧或浸漬處理，改善了羊毛的可紡性，減少了斷頭，防止了飛花，提高了成品率。

　　4、造紙工業(yè)

　　作爲感光紙的處理劑(jì)，玻璃紙(zhǐ)的防粘劑，其他(tā)辦公用紙經處(chù)理後，可以提高(gāo)打印效果，使顯色(sè)更加鮮明。

　　案例：把粉碎過的金屬矽(xī)粉直接與加(jiā)熱到(dào)一定溫度的矽酸鈉或矽(xī)酸鉀反應(yīng)制備出的高濃度、低粘度矽溶(róng)膠施于包裝水泥的牛皮紙或(huò)紙闆的表面，可以防止其堆集時的滑落，并可(kě)改善紙(zhǐ)品(pǐn)的耐濕性和強度;玻璃紙(zhǐ)的缺點之一是溫(wēn)度升高時發粘，如果用矽溶膠和(hé)甘油、單硬脂(zhī)肪酸等組成(chéng)的蠟狀物(wù)質處理，則可克(kè)服這個缺點。

　　5、陶瓷纖維高溫粘(zhān)接劑

　　把矽酸鋁纖維用矽溶膠浸漬，加促凝劑(jì)，用做保溫絕熱材(cái)料;做高溫爐的耐火磚的表(biǎo)面粘結劑，粘結強度高，耐高(gāo)溫(1000℃以上)，節約能源，對爐子改造既(jì)節約，又方便。

　　6、泡沫橡膠增強

　　在幹橡(xiàng)膠中加入5%的矽溶膠，就可(kě)以使多孔(kǒng)泡沫橡膠(jiāo)增強20%，對一定體積的(de)橡膠(jiāo)而言，因爲彈性提高，可以節省20%的橡膠。

　　7、用(yòng)在固體蓄電池的電解液

　　普通(tōng)鉛酸蓄電池(chí)使用壽命短，使用矽溶膠可以配置成膠(jiāo)體蓄電池的凝(níng)膠電解液，就大大提高了蓄(xù)電池(chí)的使(shǐ)用壽命;同時，普通(tōng)電解液硫酸，在機(jī)動車急轉彎時容易溢出(chū)，但固體蓄電(diàn)池電解液的使用就很好的解決(jué)了這(zhè)個問題，有效的防止了硫酸的(de)滲漏和溢出，避(bì)免了污染環境。

　　8、應用于精(jīng)密鑄造業

　　陶瓷薄殼型(熔模)精(jīng)密鑄造法，就是由于使用了矽(xī)溶膠才發展起來的(de)。用(yòng)矽溶膠代替矽酸(suān)酯可降低成本，改善操作條件。用小(xiǎo)粒子(zǐ)直徑矽溶膠制造的薄殼強(qiáng)度大、光潔度好，可大大提高鑄件質量和尺(chǐ)寸的精密度。

　　更多其(qí)他應用

　　矽溶膠(jiāo)可以作爲啤酒(jiǔ)、蘋果汁、葡萄酒、米酒、醬油的澄(chéng)清劑，不影響色、香、味，對(duì)人體無毒害;用矽溶膠(jiāo)處理的裝(zhuāng)潢物品，可使其抗污染性提高二倍(bèi)，可見矽溶膠也是壁布表面的(de)有效防污劑;用矽溶膠制取的防滑地闆蠟，在工業和民用中已負盛名(míng)，細小(xiǎo)的二氧化矽粒子粘附在(zài)地闆表面的蠟膜上，防滑效果好，且不影響光澤度(dù)。矽溶膠能夠使塗料牢固，具有耐水，耐火，耐污，耐高溫，塗膜硬(yìng)度大，色澤鮮豔，不褪色等優點，還可以應用于耐酸、耐堿、防火(huǒ)塗料和遠紅外(wài)線輻射塗料。

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　　同泰化學代理諾力昂Levasil納米二氧化矽産品，包含了數十種(zhǒng)産品，廣泛用于塗料、造紙、抛光、蓄電(diàn)池、精密鑄造、催化載體、食品、耐火材料、紡織纖(xiān)維處(chù)理、塑料薄膜塗層、清洗劑、顔料分散(sàn)和(hé)土木工程等多個方面。諾力昂公司的水性(xìng)納米二氧(yǎng)化矽分散液采用(yòng)先進的(de)自動化生(shēng)産線和過(guò)程控制系統，在原材料檢測、生(shēng)産過程監測和成品質量(liàng)控制(zhì)等多個方面嚴格把關，産品質量穩定可靠(kào)。我們有能力爲客(kè)戶提供高(gāo)品質的産品和服務，與客戶發展長(zhǎng)期戰略合作夥伴關系。

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