硅溶胶

　　基本信息

　　英文名称：Silica solution

　　LUDOX硅溶胶在饮料中的应用硅溶胶属胶体溶液，无臭、无毒。硅溶胶为纳米级的二氧化硅颗粒在水中或溶剂中的分散液。由于硅溶胶中的SiO2含有大量的水及羟基，故硅溶胶也可以表述为SiO2.nH2O。

　　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。

　　发展

　　硅溶胶无机高分子涂料是近几年发展起来的。制备该涂料的关键技术是硅溶胶用特殊的方法除去水玻璃中水溶性的钠离子。一般可以用离子交换、酸中和、水分解、电渗析等方法来实现，以生成一种极细的二氧化硅超微粒子胶状水溶液，粒径为 580nm(一般乳液颗粒为800-1000nm)其中Si2O含量20%-30%，Na2O含量0.3%￥，氧化硅和氧化钠的比例在40%以上。以这种硅溶液/胶为基料，配合颜料和各种助剂而制成硅溶胶无机高分子涂料。硅溶液在失去水分时，单体硅酸逐渐聚合成高聚硅胶，随水分的蒸发，胶体分子增大，最后形成-SIO-O-SIO-涂膜：IO-SI-OH+HO-SI-OH因NA2O在硅溶胶中的含量低，硅溶胶具有一定量成膜溶解的特性，其耐水性、耐热性能明显优于有机涂料。涂膜致密且较硬，不产生静电，空气中各种尘埃难粘附。在目前的建筑涂料中，它的抗污染能力是较强的。

　　细微的颗粒，对基层有较强的渗透力，能通过毛细管渗透到基层内部，并能与混凝土基层中的氢氧化钙反应生成硅酸钙，使涂料具有较强的粘结力。

　　但硅溶胶在成膜过程中体积收缩较大，涂膜易开裂。硅溶胶能与丙烯酸酯、醋酸乙烯等乳液任意相溶。两者的特性相互补充，可以配制出性能优良的有机、无机复合涂料。

　　性状

　　硅溶胶属胶体溶液，无臭、无毒，分子式可表示为 mSiO2nH2O.

　　1.由于胶体粒子微细(10 - 20nm)，有相当大的比表面积，粒子本身无色透明，不影响被覆盖物的本色。

　　2. 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。

　　3. 当硅溶胶水份蒸发时，胶体粒子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。

　　用途

　　1. 用作各种耐火材料粘结剂，具有粘结力强、耐高温(1500°C-1600°C), 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

　　技术指标

　　碱性钠型 酸性无稳定剂型 典型数值

　　JN-20 JN-25 JN-30 JN-40 SW-20 SW-25 SW-30 二氧化硅(SiO2)含量，%

　　20.0-21.0 25.0-26.0 30.0-31.0 40.0-41.0 20.0-21.0 25.0-26.0 30.0-31.0 30.3 25.6

　　氧化钠(Na2O)含量，%≤

　　0.30 0.30 0.30 0.40 0.04 0.05 0.06 0.25 0.04

　　PH值 8.5-10.0 8.5-10.0 8.5-10.0 9.0 10.5 2.0-4.0 2.0-4.0 9.6 2.8

　　黏度(25℃),mp a.s ≤ 5.0 6.0 7.0 25.0 5.0 6.0 7.0 5.4 3.0

　　密度(25℃)，g/cm3 1.12-1.14 1.15-1.17 1.19-1.21 1.28-1.30 1.12-1.14 1.15-1.17 1.19-1.21 1.20 1.16

　　制备工艺

　　制备硅溶胶的工艺有：离子交换树脂处理硅酸钠稀溶液的方法;用硫酸中和水玻璃稀溶液的方法;水解硅酸酯的方法等等。其基本原理都是去掉易溶于水的钠离子。举例如下：

　　离子交换法

　　a 离子交换树脂。阳离子交换树脂采用强酸性苯乙烯阳离子交换树脂;阴离子交换树指采用弱碱性苯乙烯系阴离子交换树脂。

　　b 生产工艺

　　将模数为3.5的硅酸钠溶液用水稀调整至含SiO24%，Na201.15%;将液通过填装阳离子交换树脂的闪换柱，得含SIO23.6%，NA200.005%，SiO2/Na2O摩尔比703，PH值2.5的硅酸胶稀液。

　　离子交换是一个平衡反应，反应的过程是：当把含有Na+的硅酸溶液通过交换树指时Na+取代了阳离子交换树脂上的H+。

　　于是水玻璃中的Na+已被除去，H+阳离子与硅离子与硅酸钠中的SiO3生成具有活性的硅溶胶稀溶液流出。

　　硅溶胶的离子交换质量与下列因素有关：

　　树脂再生的程度、平衡性质、树脂的高度、流入深度、离子大小等。

　　把通过阳离子交换柱的硅溶胶稀深再通过弱碱性阴离子树脂交换柱，去除液体中的阴离子CL-，以达到更加稳定的状态。以交换柱流出来的稀硅深胶浓渡很低，需进行浓缩，为了防止浓缩时胶凝，浓缩前必须迅速加入稳定剂。稳定剂常的为MOH(M为 L,Na,K,Rb,Cs,NH4.NH2等)稳定剂的用量应该恰当，若小于SiO2摩尔数的1%则难于起到稳定作用;若超过5%则将降低制品的纯度。取 5kg上述硅溶胶用10%NAOH溶液调PH值至78。取900g调整液注信减压器中进行真这减压浓缩。并以保持容器内液面恒定为原则，徐徐加入剩余的 4100g调整液。浓缩温度保持78℃，最后制得900g含SiO220%，Na200.33%PH为9.6的硅溶胶，其平均粒径约16mum。

　　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H9+取代树脂上的Na+。而使离子交换树脂的活性基团氧化，使树脂再生，恢复交换能力。再生后和离子交换树指必须用蒸馏水冲洗至规定的PH值为止，备下次使用。

　　硅溶胶的技术性能：

　　SiO2含量地20%30%(以H2SiO3计含量>26%)水分70%80%比重1.141.21Na2O含量0。4%0.5%粘度(涂4)10.9S可存期一年

　　酸中和法

　　用酸中和水玻璃时首先选取含有-(CH2)nCH3.R-CH2-R及含亲水基的物质，经过化学反应制得一种产物A，用此产物A 再与钠水玻璃及H2SO4进行反应，最后制提改性水玻璃B。此产物溶于水中的稳定期不少于三个月，失水成膜后，遇水不再溶解。

　　制备方法

　　硅橡胶合成的简要过程是：砂石或二氧化硅还原为单体硅→于300%温度下，以铜作催化剂，硅与甲基氯化物相互作用→形成甲基氯化硅的混合物(一元、二元或三元)→通过蒸馏分离出二甲基氯化硅→二甲基氯化硅水解成硅烷又迅速合成为线型或环型硅氧烷→线型硅氧烷在氢氧化钾(KOH)的帮助下，形成四元双甲基环状体(D4)→在KOH存在下，D4聚合，链终止导致过程的完成。

　　硅溶胶无机高分子涂料的配制工艺与其他涂料没什么特殊区别，但是硅溶胶应慢慢加入，否则涂料将发生质变。可以参考以下配制工艺：

　　把成膜助剂(常用的有氧化锌、硅酸丁酯、醋酸丁酯、甲基硅酸钠等)加入反应釜中，加定量的水搅拌，并依次加入表面活性剂(苯磺酸钠)、增稠剂(羟乙基纤维素、CMC等)、分散剂(六偏磷酸钠)、消泡剂(磷酸三丁酯)等助剂;再慢慢加入硅溶胶，体质颜料、色浆。用砂磨机或胶体磨研细，可以按需要加入产分粗粒料。涂料的PH值在8.5-10之间。

　　硅溶胶无机高分子涂料的配方设计：

　　硅溶胶成膜时收缩较大，涂膜易龟裂，为克服这个缺点、，除了在无机涂料中添加纤维状填料，还同时添加水溶性乳液作为辅助成膜物，使有机物填充在"—Si—O—Si—"，网状结构中减少成膜收缩和温差引起的胀缩变化。成为一种即具有无机涂料优良的耐候性、又具备有机涂料那样优良的装饰性、稳定性和施工性的有机复合涂料。一般可以这样考滤：成膜物中无机物占50%~90%，有机物为50%10%。内用时添加聚醋酸乙烯乳液;外用时添加苯-丙乳液，钛白粉先用金红石型，体积浓度为5%，并可掺加大量体质颜料，其总体积浓度炒60%70%。

　　硅溶胶生产的浓缩阶段,是一项耗能大、周期长的工艺环节。传统的浓缩手段,一般采 用减常压法脱水,使之得到所需浓度的硅溶胶。

　　从硅溶胶所表现出的pH值不同，硅溶胶又分为碱性硅溶胶和酸性硅溶胶。它们都是重要的精细化工产品，具有不同的重要用途：如碱性硅溶胶在精密铸造，外墙涂料等领域应用;酸性硅溶胶在彩色显像管、胶体铅酸蓄电池，以及从国外引进的静电植绒技术上应用等。

　　超滤膜浓缩法的单位产量能耗较低,周期较务短,设备投资较少,因而是一项降低产品成本、提高产品质量的有效途径。

　　超滤法是一种较为先进的制备硅溶胶的方法。超滤法就是用超滤器进行浓缩。超滤器跟过滤器不同，超滤器所用的超滤膜只允许水及可溶性的盐通过，不允许溶胶颗粒通过。可见该方法比较有效，它不仅能除去稀溶胶中的水分，而且还能除去少量的离子或易溶物。但是不允许在超滤膜上有滤饼或沉淀物出现，所以必须在不断搅拌下进行超滤。超滤能否按预想的目的进行，关键是要有适用的超滤膜。