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| 硅溶胶 |
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mSiO2.nH2O。制备硅溶胶有不同的途径。
最常用的方法有离子交换法、硅粉一步水解法、硅烷水解法等。
中文名硅溶胶
外文名Silica sol
成 分二氧化硅最常见的方法离子交换法
目录
基本信息
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，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，
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，
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。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 典型基础参数数值
TS-15 TS-30 TS-32W TS-950二氧化硅（SiO2）含量，%
15-16 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，%≤
0.10 0.50 0.55 0.40 0.04 0.05 0.06 0.25 0.04
PH值 9 9.5 9.5-10 10.5
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
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。[1]