二(èr)氧化矽膠體微粒(lì)的溶液(yè)“矽溶膠”能幹啥？

　　silica sol矽溶(róng)膠是二氧(yǎng)化矽膠體微粒(lì)在水中均(jun1)勻分散形成(chéng)的(de)膠體溶液，具有許多優良性質和特(tè)點，作爲一(yī)種精(jīng)細化工産品，現(xiàn)已被廣泛應用于化(huà)工、材(cái)料、紡(fǎng)織、造紙(zhǐ)、電(diàn)子等(děng)工業領(lǐng)域(yù)。早在(zài)1915年，schwerin首次以(yǐ)水玻璃爲(wèi)原料，采用電滲析(xī)法制備(bèi)出含二氧(yǎng)化矽(xī)質量分數(shù)2.4%的(de)矽(xī)溶膠(jiāo)，隻是濃度太低，并沒有什(shí)麽實際應用意義，1941年(nián)bird利用(yòng)離子交換法制得(dé)高(gāo)濃度的矽(xī)溶膠後，才(cái)得以(yǐ)大規(guī)模的生産和應(yīng)用。本(běn)文(wén)将對“矽(xī)溶膠”的制備工藝及應(yīng)用(yòng)範疇做簡單整(zhěng)理。

　　不同濃(nóng)度的矽溶(róng)膠

　　一、簡單(dān)了解(jiě)一下矽溶膠(jiāo)

　　矽(xī)溶膠外觀(guān)爲乳(rǔ)白色半透(tòu)明的(de)膠體溶液，多呈穩定的堿性，少(shǎo)數呈酸(suān)性，矽溶(róng)膠中sio2的濃度一(yī)般爲(wèi)10%~35%，濃(nóng)度高時可達(dá)50%。矽溶(róng)膠粒(lì)子比表(biǎo)面積爲(wèi)50~400m2g，粒徑範圍(wéi)一般(bān)在5~100nm，處于(yú)納米尺(chǐ)度，與一般粒徑(jìng)爲0.1~10um的乳液相比(bǐ)，其顆(kē)粒要小得(dé)多，分(fèn)子式可表示爲msio2.h2o，矽溶膠的(de)膠團(tuán)結構(gòu)用以下化(huà)學式表示(shì)。

　　二、二氧(yǎng)化矽膠(jiāo)團結構

　　矽溶膠(jiāo)是具有膠(jiāo)體特(tè)性、質點近似球(qiú)體、帶負電(diàn)的溶(róng)膠，ζ電(diàn)位、布朗運(yùn)動及足夠的溶(róng)劑阻隔(gé)三大因(yīn)素賦予其聚結穩定性和動力(lì)學(xué)穩定性(xìng)，膠粒爲介穩相，始終存在自發(fā)聚結(jié)的傾(qīng)向。三大穩(wěn)定因素隻(zhī)要有一種(zhǒng)被(bèi)削弱，它(tā)就會自動聚結，産生(shēng)凝膠(jiāo)或聚沉。矽溶膠粒子(zǐ)的内部結構爲(wèi)矽氧烷鍵(-si-o-si-)，表面(miàn)層由許多矽氧醇基(-sioh)和羟基(-oh)所覆蓋，它們同膠(jiāo)體溶(róng)液中存在(zài)的堿金(jīn)屬離子(zǐ)一起形成擴散雙電(diàn)層(céng)，粒(lì)子間的靜電作(zuò)用對膠體(tǐ)溶(róng)液的穩定(dìng)起(qǐ)重要(yào)作用(yòng)。

　　矽溶膠中二(èr)氧(yǎng)化矽的粒(lì)子大(dà)小是(shì)一重(zhòng)要質量指(zhǐ)标，它(tā)對溶膠的許多性能(néng)都有重要影響。首先(xiān)，粒(lì)子(zǐ)大小(xiǎo)影響矽溶(róng)膠的穩定性(xìng)，在(zài)等量(liàng)穩定(dìng)劑條件下，粒子越大(dà)穩定(dìng)性越好，粒(lì)子越小膠凝越快。因(yīn)此，爲制造高濃(nóng)度(dù)和性能(néng)穩定(dìng)的矽溶膠，應設(shè)法使(shǐ)粒子尺寸(cùn)足夠大。通(tōng)常粒徑大于20nm，濃(nóng)度高于40%的矽溶膠通(tōng)常被(bèi)稱作大粒(lì)徑高濃(nóng)度矽溶膠。

　　應(yīng)用在催化劑載體和高耐火度要求(qiú)的行(háng)業，所需要(yào)的矽(xī)溶膠(jiāo)濃度要達(dá)到40%左右(yòu)，通(tōng)過再(zài)濃縮法(fǎ)得(dé)到矽(xī)溶(róng)膠所能(néng)達到(dào)的最高(gāo)濃度與(yǔ)其溶(róng)膠顆(kē)粒自身粒(lì)徑大小有(yǒu)關，由(yóu)于(yú)小的粒子穩定性較差(chà)，所以粒徑小于(yú)15nm的普(pǔ)通矽溶膠(jiāo)産品濃(nóng)度(dù)一般(bān)隻能達到30%，而粒(lì)徑大于20nm的(de)矽溶(róng)膠産品濃度(dù)則(zé)可以達(dá)到40%甚至50%以上(shàng)。

　　三、矽(xī)溶膠(jiāo)制備方法

　　自矽(xī)溶膠(jiāo)問世以來(lái)，對其制備(bèi)方法的研究非常活(huó)躍。就原理而言(yán)，矽溶膠有2種制備方(fāng)法：①利用溶(róng)液中(zhōng)化學(xué)反應(yīng)生成的sio2超微粒生長、成(chéng)核，制得(dé)矽溶(róng)膠的方法爲凝聚法(fǎ);②利用(yòng)機械将sio2微粒(lì)在(zài)一定(dìng)條件下分(fèn)散于水中(zhōng)制得(dé)矽溶膠(jiāo)的方法爲(wèi)分散法。就工(gōng)藝而(ér)言(yán)，可(kě)分爲(wèi)矽粉溶解法、離(lí)子交換(huàn)法(fǎ)、膠溶(róng)法、分(fèn)散法等。

　　1、矽(xī)粉溶解法。采用(yòng)無機(jī)或有(yǒu)機堿(jiǎn)作催化劑(jì)，以單質矽與純(chún)水反(fǎn)應來制備矽溶膠的方法稱爲(wèi)矽粉溶解法。

 

工(gōng)藝流(liú)程圖及反(fǎn)應方程式(shì)

　　工藝(yì)簡析(xī)：矽粉(fěn)在堿(jiǎn)的(de)催化作用下(xià)，與水(shuǐ)反(fǎn)應(yīng)，生成水合(hé)矽酸，水合(hé)矽酸在(zài)水介質(zhì)中逐漸聚(jù)合，由單體自行脫水(shuǐ)漸漸聚(jù)合成(chéng)二(èr)元體、三(sān)元體乃(nǎi)至多元體，即成爲水(shuǐ)合矽酸的水溶(róng)液，就是矽(xī)溶膠。工藝(yì)過程中的矽粉的活(huó)化主要(yào)是爲了(le)除去(qù)矽粉(fěn)表面(miàn)形成的惰性膜(mó)，較好的(de)方法是(shì)先用質(zhì)量分數(shù)爲48%的氫氟(fú)酸洗(xǐ)滌，然後依(yī)次用(yòng)純(chún)水、醇、醚沖洗(xǐ)，最後在氮氣保(bǎo)護下幹燥。

　　該法(fǎ)的優點(diǎn)是(shì)矽溶膠成(chéng)品中雜質(zhì)含(hán)量少(shǎo)，二氧化矽的膠粒粒(lì)形(xíng)、粒徑、黏度、ph值、密度、純(chún)度(dù)等(děng)易控(kòng)制，膠(jiāo)粒外(wài)形圓(yuán)整均勻，結構緻(zhì)密，矽溶膠的(de)穩(wěn)定性較好。

　　2、離子(zǐ)交換法。離(lí)子交(jiāo)換法(fǎ)又稱(chēng)粒子增長法，用(yòng)水玻(bō)璃爲原料。一般(bān)步驟爲：陽(yáng)離子交換(huàn)反應制備(bèi)活性矽酸(suān)溶液→調(diào)節(jiē)活性矽酸(suān)溶液ph值→陳化制備晶種→向含晶(jīng)種的母(mǔ)液中添加活(huó)性矽(xī)酸溶(róng)液促使晶種生長→最後純化(huà)濃(nóng)縮制(zhì)備得矽溶(róng)膠産品(pǐn)。

　　每個步(bù)驟對最終矽溶膠産(chǎn)品均有直(zhí)接的影響(xiǎng)。制備均勻性良好的晶種是制(zhì)得優(yōu)質矽(xī)溶膠的基(jī)礎(chǔ)，晶種生(shēng)長階(jiē)段要嚴格控制(zhì)矽酸(suān)溶液加入量使體系中矽(xī)酸濃(nóng)度始(shǐ)終處(chù)于(yú)最(zuì)低成核濃(nóng)度和飽和(hé)濃度(dù)之間，防止(zhǐ)産生(shēng)新的晶核，實現單純(chún)的粒(lì)徑增(zēng)長。

　　3、電解(jiě)電滲析(xī)法。電(diàn)解電滲析(xī)法制備矽(xī)溶膠(jiāo)是一(yī)種電化學(xué)方法。在(zài)電解電(diàn)滲析槽(cáo)中加入(rù)電解(jiě)質(zhì)，調節電解質(zhì)溶液(yè)的ph值(zhí)，控制電解(jiě)電滲(shèn)析反應的(de)電流(liú)密度、溫度(dù)等反(fǎn)應條件，在裝(zhuāng)備(bèi)有合适(shì)的(de)電極(如析(xī)氫電極、氧(yǎng)陰極)的(de)電(diàn)解電滲(shèn)析槽中反應(yīng)後可制取(qǔ)矽溶(róng)膠成品。該(gāi)法制(zhì)備矽(xī)溶膠(jiāo)的操作條(tiáo)件可控制(zhì)，便于優化矽溶(róng)膠成品的(de)質量，是有開發(fā)價值(zhí)的電化學(xué)方法(fǎ)。

　　4、膠溶法。膠(jiāo)溶法制備矽溶膠是(shì)先用酸中(zhōng)和(hé)水玻璃(lí)溶液形成凝膠(jiāo)，所得(dé)凝膠經過(guò)濾(lǜ)，水洗，然(rán)後加(jiā)稀堿溶液(yè)，在加壓(yā)加熱(rè)條(tiáo)件下解(jiě)膠即得(dé)溶膠。該法制得的矽(xī)溶(róng)膠粒徑分布較寬(kuān)，純度(dù)較低。

　　5、酸(suān)中(zhōng)和法(fǎ)。酸中(zhōng)和法一般(bān)采用稀水(shuǐ)玻璃(na2o.xsio2)作爲(wèi)起(qǐ)始(shǐ)原料(liào)，稀硫酸等無機(jī)酸作爲(wèi)酸化(huà)劑(jì)。根據酸(suān)用(yòng)量的(de)不同，可(kě)制備酸性或(huò)堿性(xìng)矽溶(róng)膠。具(jù)體(tǐ)工藝步(bù)驟包括離子交換去(qù)除(chú)鈉離子(zǐ)、制備晶核、酸中(zhōng)和反應、晶粒增(zēng)長。酸中和(hé)法制(zhì)得的矽溶膠(jiāo)一(yī)般雜質離子含量較高(gāo)，穩定性(xìng)較差。

　　6、分(fèn)散(sàn)法。分(fèn)散法(fǎ)是(shì)利(lì)用機(jī)械方法将二氧(yǎng)化矽微粒(lì)分散(sàn)在溶劑(jì)中制備(bèi)矽溶膠的物理(lǐ)方法。有報(bào)道“利(lì)用合(hé)适的分散(sàn)工藝和添(tiān)加劑(jì)，可将(jiāng)氣相二氧(yǎng)化矽(xī)粉(fěn)末(mò)分散(sàn)在水(shuǐ)溶液中制(zhì)得穩(wěn)定時間高(gāo)達1年(nián)，黏(nián)度(dù)低達(dá)1mpa·s的高(gāo)性能矽溶(róng)膠。”

　　四、矽溶膠的(de)基(jī)本(běn)特性及應(yīng)用

　　性質決定用(yòng)途，先來(lái)瞅瞅矽(xī)溶膠的特性：①具(jù)有較(jiào)大的(de)吸附(fù)性(xìng)，矽(xī)溶膠中無(wú)數膠團産(chǎn)生的(de)無數網絡結構空隙(xì)，在一定條(tiáo)件下(xià)能夠對無機(jī)物及有機物(wù)具有一定的吸(xī)附作(zuò)用;②具有較(jiào)大的比(bǐ)表面積(jī);③矽溶(róng)膠(jiāo)具有較好的粘結性，自(zì)身風(fēng)幹即(jí)産生(shēng)一定(dìng)的(de)粘結強(qiáng)度，但強(qiáng)度較小(xiǎo)，如果将矽溶膠加入到某(mǒu)種纖(xiān)維或粒狀材料(liào)中，然後幹燥固(gù)化即(jí)可成爲堅固的凝膠結構(gòu)，會産(chǎn)生較(jiào)大的(de)粘結(jié)性;④ 良(liáng)好的(de)耐溫(wēn)性;⑤矽溶膠(jiāo)具有(yǒu)高(gāo)度的分(fèn)散性(xìng)、較好的耐(nài)磨性和良(liáng)好的(de)透光性等，因此(cǐ)可以做(zuò)良(liáng)好的(de)分散劑(jì)、防腐劑(jì)、絮凝劑、冷卻劑(jì)等等。下面對矽(xī)溶膠(jiāo)部分(fèn)經(jīng)典(diǎn)應用(yòng)簡單(dān)整理。

　　1、催化劑(jì)載體

　　矽(xī)溶膠具有較大的比表面積，制(zhì)得的矽(xī)膠(jiāo)粒(lì)子(zǐ)均勻(yún)，孔徑(jìng)和分布容(róng)易控(kòng)制，是(shì)制備催(cuī)化劑載體的(de)最(zuì)佳原料(liào)。氧化(huà)矽(xī)是第二(èr)大的(de)催載體原料(一哥(gē)是氧化(huà)鋁)。

　　案例：美國sohio化(huà)學(xué)公司氨氧化(huà)法制備丙烯腈(jīng)所用的催化劑(jì)c41，就是将催化劑活性組分與矽(xī)溶膠混合，經噴(pēn)霧幹(gàn)燥後制得(dé)的，其活性(xìng)分布均勻，能(néng)使丙烯腈産(chǎn)率提高30%~40%。

　　2、半導體基(jī)片抛光(guāng)

　　20世紀60年代以前(qián)，半導體基(jī)片抛光還大(dà)都沿用(yòng)微米(mǐ)級(jí)磨料機(jī)械抛(pāo)光，得到的(de)機械抛(pāo)光(guāng)表面(miàn)存在(zài)嚴重損傷。1965年walsh和herzog提出(chū)sio2溶膠和凝(níng)膠抛光後(hòu)，以sio2漿(jiāng)料爲代表(biǎo)的化(huà)學機械抛(pāo)光工藝就(jiù)逐漸(jiàn)代替(tì)了以上舊(jiù)方法。

　　而(ér)二(èr)氧化(huà)矽水(shuǐ)溶膠則是(shì)目前(qián)最具代表性的cmp用(yòng)抛(pāo)光漿料研磨微(wēi)粒。目(mù)前主(zhǔ)要(yào)采用分(fèn)散法，即将納米(mǐ)sio2粉末(mò)利用機械(xiè)手段分散于水(shuǐ)溶液(yè)中以(yǐ)獲得(dé)sio2 cmp漿料。研究證明(míng)，在相(xiàng)同的抛光(guāng)條件下，磨料的(de)顆粒大小(xiǎo)、形狀(zhuàng)和單分(fèn)散(sàn)性等(děng)是影(yǐng)響(xiǎng)抛光表(biǎo)面質(zhì)量的(de)重要(yào)因素(sù)。目前(qián)，在矽(xī)晶片化(huà)學(xué)機械(xiè)抛光中(zhōng)普遍使用粒徑50～80nm左(zuǒ)右的球(qiú)形二氧化矽(xī)磨料。将粒子的矽溶膠做單晶(jīng)矽抛光(guāng)劑(jì)，不僅效果好，而且抛(pāo)光速(sù)度快。

　　3、紡織(zhī)工業(yè)

　　可(kě)以用做紡織(zhī)上漿助劑(jì)，減少斷頭率;在(zài)織物染(rǎn)色(sè)中使用，因具有粘結(jié)性，可以形成優(yōu)良的(de)保護液，增(zēng)加染色(sè)的附着力等(děng)等。

　　案例：矽(xī)溶膠(jiāo)與油劑并(bìng)用，對(duì)羊毛進行噴霧(wù)或(huò)浸漬處(chù)理，改善了羊毛(máo)的可(kě)紡性，減少(shǎo)了(le)斷頭(tóu)，防止了(le)飛花，提高(gāo)了成(chéng)品率。

　　4、造紙工業(yè)

　　作爲感光(guāng)紙的(de)處理(lǐ)劑，玻璃紙(zhǐ)的防(fáng)粘(zhān)劑，其他(tā)辦公用紙經處(chù)理後，可以提高(gāo)打印(yìn)效果(guǒ)，使顯(xiǎn)色更加鮮明。

　　案(àn)例(lì)：把粉(fěn)碎過的(de)金屬(shǔ)矽粉(fěn)直接(jiē)與加熱到(dào)一定(dìng)溫度的(de)矽酸鈉或矽酸鉀反應(yīng)制備(bèi)出的(de)高濃(nóng)度、低粘度(dù)矽溶(róng)膠施于包(bāo)裝水泥的(de)牛皮(pí)紙或(huò)紙闆的表面，可(kě)以(yǐ)防止其(qí)堆集(jí)時的滑(huá)落，并可改善紙(zhǐ)品的耐(nài)濕性和強度;玻璃紙的(de)缺點之一(yī)是(shì)溫(wēn)度(dù)升高時發(fā)粘(zhān)，如果用(yòng)矽溶膠(jiāo)和甘油、單硬脂肪酸等(děng)組成(chéng)的蠟(là)狀物質處(chù)理，則可克(kè)服這個缺(quē)點。

　　5、陶瓷纖維高溫粘(zhān)接劑

　　把(bǎ)矽(xī)酸鋁纖維(wéi)用矽溶膠(jiāo)浸漬，加促(cù)凝劑(jì)，用做(zuò)保溫絕熱材料;做高(gāo)溫爐(lú)的耐(nài)火磚的表(biǎo)面粘結劑，粘結(jié)強度高，耐(nài)高溫(wēn)(1000℃以上)，節約能源，對爐子(zǐ)改造既節約，又(yòu)方便。

　　6、泡(pào)沫橡膠(jiāo)增強

　　在(zài)幹橡(xiàng)膠中(zhōng)加入(rù)5%的矽(xī)溶膠(jiāo)，就可以使多孔(kǒng)泡沫橡膠(jiāo)增(zēng)強20%，對一(yī)定體積的橡膠而言，因爲彈性(xìng)提高，可以(yǐ)節省(shěng)20%的橡膠。

　　7、用在固體蓄(xù)電池的電(diàn)解液

　　普通鉛酸(suān)蓄電池使用壽(shòu)命短(duǎn)，使用矽溶(róng)膠可(kě)以配(pèi)置成(chéng)膠體(tǐ)蓄(xù)電池的(de)凝膠電解液，就(jiù)大大提高了蓄(xù)電池的使用壽(shòu)命;同時，普(pǔ)通電(diàn)解液硫(liú)酸(suān)，在機動車(chē)急轉彎時(shí)容易(yì)溢出，但固(gù)體蓄電(diàn)池電解(jiě)液的使用(yòng)就很(hěn)好的解決了這(zhè)個問(wèn)題，有效的(de)防止(zhǐ)了硫酸的(de)滲漏和溢出，避免了污染環境(jìng)。

　　8、應用(yòng)于(yú)精(jīng)密鑄造業

　　陶瓷薄殼(ké)型(熔模(mó))精(jīng)密鑄(zhù)造法，就是由(yóu)于(yú)使用了矽(xī)溶膠(jiāo)才發展起來的(de)。用矽溶膠代替(tì)矽酸(suān)酯可降低(dī)成本(běn)，改善(shàn)操(cāo)作條件。用小(xiǎo)粒子直徑矽(xī)溶(róng)膠制造的薄殼強度(dù)大、光潔度好，可(kě)大大提高鑄件(jiàn)質量和尺(chǐ)寸的(de)精密(mì)度(dù)。

　　更多其(qí)他應用

　　矽溶膠可以作爲啤酒(jiǔ)、蘋果汁、葡萄酒(jiǔ)、米酒、醬油的澄清劑，不(bú)影響色(sè)、香、味(wèi)，對人(rén)體無(wú)毒(dú)害;用矽溶膠(jiāo)處理的裝潢(huáng)物(wù)品，可使其抗污(wū)染性(xìng)提(tí)高(gāo)二倍(bèi)，可見矽溶(róng)膠也是壁(bì)布(bù)表面的(de)有效(xiào)防污(wū)劑;用(yòng)矽溶膠制(zhì)取的(de)防滑(huá)地(dì)闆蠟，在(zài)工業(yè)和民用中(zhōng)已負(fù)盛名，細小(xiǎo)的二(èr)氧化(huà)矽粒(lì)子粘附在地闆表面的蠟膜上(shàng)，防滑效果(guǒ)好，且(qiě)不影響光澤度(dù)。矽溶膠(jiāo)能夠使(shǐ)塗料(liào)牢固(gù)，具有耐水(shuǐ)，耐火(huǒ)，耐污(wū)，耐高溫(wēn)，塗膜硬度大，色(sè)澤鮮豔(yàn)，不褪(tuì)色等優點(diǎn)，還可(kě)以應(yīng)用于(yú)耐酸、耐堿、防火(huǒ)塗料和遠(yuǎn)紅外(wài)線(xiàn)輻(fú)射塗(tú)料。

　　同(tóng)泰化學(xué)納(nà)米二(èr)氧化矽(xī)産品介(jiè)紹：

　　同泰化(huà)學代(dài)理諾力昂levasil納米二氧化矽産品(pǐn)，包含(hán)了(le)數十種産品(pǐn)，廣泛用于(yú)塗料、造(zào)紙、抛光(guāng)、蓄電池、精密鑄造、催(cuī)化載體、食(shí)品、耐火材(cái)料、紡織纖維處(chù)理、塑(sù)料薄膜(mó)塗層、清洗劑、顔料(liào)分散(sàn)和(hé)土木工(gōng)程等(děng)多個(gè)方面。諾力(lì)昂公司的水性納米二氧化矽(xī)分散液采用先(xiān)進的(de)自動化生(shēng)産線(xiàn)和過程控制系統，在(zài)原材(cái)料檢測(cè)、生(shēng)産過(guò)程監(jiān)測和成品(pǐn)質量控制(zhì)等多(duō)個方面嚴格把關，産品質(zhì)量穩定可靠。我們有(yǒu)能力爲客(kè)戶提(tí)供高品質的産(chǎn)品和服務，與客(kè)戶發展長期戰略合作夥(huǒ)伴關(guān)系。

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