矽溶膠為納米級的二氧化矽顆粒在水中或溶劑中的分散液。由於矽溶膠中的SiO2含有大量的水及羥基，故矽溶膠也可以表述為mSiO2.nH2O。製備矽溶膠有不同的途徑。最常用的方法有離子交換法、矽粉一步水解法、矽烷水解法等。
基本介紹
- 中文名：矽溶膠
- 外文名：Silica sol
- 成分：二氧化矽
- 最常見的方法：離子交換法
基本信息,發展,性狀,用途,技術指標,製備工藝,離子交換法,酸中和法,製備方法,
基本信息
英文名稱：Silica solution
矽溶膠屬膠體溶液，無臭、無毒。矽溶膠為納米級的二氧化矽顆粒在水中或溶劑中的分散液。由於矽溶膠中的SiO2含有大量的水及羥基，故矽溶膠也可以表述為SiO2.nH2O。
LUDOX矽溶膠在飲料中的套用
LUDOX矽溶膠在飲料中的套用矽溶膠的離子交換工藝為美國的NALCO公司在上世紀40年代開發，後由美國杜邦公司等在五，六十年代完善，目前為最成熟也是最為廣泛使用的工藝。該工藝對水玻璃、離子交換樹脂等材料以及操作工藝有一定的要求，而這些正是國產品的弱勢。相對來說，矽粉一步水解法的工藝比較簡單，目前在國內被廣泛使用。然而，用該法製備的矽溶膠通常顆粒大小在10-20納米左右，顆粒間的界面不清晰，形貌為非球形且無法控制，顆粒間的界面不清晰，故通常只是被大量使用在鑄造等行業，而在精密拋光，催化劑等許多要求更高的領域則無大建樹。 與國際知名矽溶膠品牌相比，目前國產矽溶膠的主要缺點為雜質含量高、顆粒大小無嚴格控制、顆粒比表面不受嚴格檢測、二氧化矽的濃度低、酸性或中性條件下穩定性差、使用周期短、或多或少帶點顏色、品種少等等。目前國際知名矽溶膠品牌有杜邦以及格雷斯的LUDOX系列。
發展
矽溶膠無機高分子塗料是近幾年發展起來的。製備該塗料的關鍵技術是用特殊的方法除去水玻璃中水溶性的鈉離子。一般可以用離子交換、酸中和、水分解、電滲析等方法來實現，以生成一種極細的二氧化矽超微粒子膠狀水溶液，粒徑為580nm（一般乳液顆粒為800-1000nm）其中Si2O含量20%-30%，Na2O含量0.3%￥，氧化矽和氧化鈉的比例在40%以上。以這種矽溶液/膠為基料，配合顏料和各種助劑而製成矽溶膠無機高分子塗料。矽溶液在失去水分時，單體矽酸逐漸聚合成高聚矽膠，隨水分的蒸發，膠體分子增大，最後形成-SIO-O-SIO-塗膜：IO-SI-OH+HO-SI-OH因NA2O在矽溶膠中的含量低，矽溶膠具有一定量成膜溶解的特性，其耐水性、耐熱性能明顯優於有機塗料。塗膜緻密且較硬，不產生靜電，空氣中各種塵埃難粘附。在目前的建築塗料中，它的抗污染能力是較強的。
矽溶膠
矽溶膠細微的顆粒，對基層有較強的滲透力，能通過毛細管滲透到基層內部，並能與混凝土基層中的氫氧化鈣反應生成矽酸鈣，使塗料具有較強的粘結力。
性狀
矽溶膠屬膠體溶液，無臭、無毒，分子式可表示為 mSiO2nH2O.
1.由於膠體粒子微細(10 - 20nm)，有相當大的比表面積，粒子本身無色透明，不影響被覆蓋物的本色。
2. 粘度較低，水能滲透的地方都能滲透，因此和其它物質混合時分散性和滲透性都非常好。
3. 當矽溶膠水份蒸發時，膠體粒子牢固地附著在物體表面，粒子間形成矽氧結合，是很好的粘合劑。
用途
1. 用作各種耐火材料粘結劑，具有粘結力強、耐高溫(1500°C-1600°C), 等特點。
2.用於塗料工業，能使塗料牢固，又能抗污防塵、耐老化、防火等功能。
3.用於薄殼精密鑄造，可使殼型強度大、鑄造光潔度高。用其造型比水玻璃造型質量好，代替矽酸乙酯造型可降低成本和改善操作條件。
4.矽溶膠有較高的比表面積，可用於催化劑製造及催化劑載體。
5.用於造紙工業，可作為玻璃紙防粘劑、照相用紙前處理劑、水泥袋防滑劑等。
6.用作紡織工業上漿劑，它與油劑並用處理羊毛、兔毛的可紡性，減少斷頭，防止飛花，提高成品率，增加經濟效益。
7.用作矽鋼片處理劑、顯像管分散劑、地板蠟抗滑等
技術指標
鹼性鈉型 酸性無穩定劑型 典型基礎參數數值
TS-15 TS-30 TS-32W TS-950
二氧化矽（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氧化鈉（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
製備工藝
製備矽溶膠的工藝有：離子交換樹脂處理矽酸鈉稀溶液的方法；用硫酸中和水玻璃稀溶液的方法；水解矽酸酯的方法等等。其基本原理都是去掉易溶於水的鈉離子。舉例如下：
離子交換法
b 生產工藝
將模數為3.5的矽酸鈉溶液用水稀調整至含SiO24%，Na201.15%；將液通過填裝陽離子交換樹脂的閃換柱，得含SIO23.6%，NA200.005%，SiO2/Na2O摩爾比703，PH值2.5的矽酸膠稀液。
離子交換是一個平衡反應，反應的過程是：當把含有Na+的矽酸溶液通過交換樹指時Na+取代了陽離子交換樹脂上的H+。
於是水玻璃中的Na+已被除去，H+陽離子與矽離子與矽酸鈉中的SiO3生成具有活性的矽溶膠稀溶液流出。
矽溶膠的離子交換質量與下列因素有關：
樹脂再生的程度、平衡性質、樹脂的高度、流入深度、離子大小等。
把通過陽離子交換柱的矽溶膠稀深再通過弱鹼性陰離子樹脂交換柱，去除液體中的陰離子CL-，以達到更加穩定的狀態。以交換柱流出來的稀矽深膠濃渡很低，需進行濃縮，為了防止濃縮時膠凝，濃縮前必須迅速加入穩定劑。穩定劑常的為MOH（M為L,Na,K,Rb,Cs,NH4.NH2等)穩定劑的用量應該恰當，若小於SiO2摩爾數的1%則難於起到穩定作用；若超過5%則將降低製品的純度。取5kg上述矽溶膠用10%NAOH溶液調PH值至78。取900g調整液注信減壓器中進行真這減壓濃縮。並以保持容器內液面恆定為原則，徐徐加入剩餘的4100g調整液。濃縮溫度保持78℃，最後製得900g含SiO220%，Na200.33%PH為9.6的矽溶膠，其平均粒徑約16mum。
離子交換樹脂進行離子交換後，已失去交換能力。需用鹽酸稀液洗滌，用HCL中的H9+取代樹脂上的Na+。而使離子交換樹脂的活性基團氧化，使樹脂再生，恢復交換能力。再生後和離子交換樹指必須用蒸餾水沖洗至規定的PH值為止，備下次使用。
矽溶膠的技術性能：
SiO2含量地20%30%（以H2SiO3計含量>26%）水分70%80%比重1.141.21Na2O含量0。4%0.5%粘度（塗4）10.9S可存期一年
酸中和法
用酸中和水玻璃時首先選取含有-（CH2）nCH3.R-CH2-R及含親水基的物質，經過化學反應製得一種產物A，用此產物A 再與鈉水玻璃及H2SO4進行反應，最後制提改性水玻璃B。此產物溶於水中的穩定期不少於三個月，失水成膜後，遇水不再溶解。
製備方法
矽橡膠合成的簡要過程是：砂石或二氧化矽還原為單體矽→於300%溫度下，以銅作催化劑，矽與甲基氯化物相互作用→形成甲基氯化矽的混合物(一元、二元或三元)→通過蒸餾分離出二甲基氯化矽→二甲基氯化矽水解成矽烷又迅速合成為線型或環型矽氧烷→線型矽氧烷在氫氧化鉀(KOH)的幫助下，形成四元雙甲基環狀體(D4)→在KOH存在下，D4聚合，鏈終止導致過程的完成。
矽溶膠無機高分子塗料的配製工藝與其他塗料沒什麼特殊區別，但是矽溶膠應慢慢加入，否則塗料將發生質變。可以參考以下配製工藝：
把成膜助劑（常用的有氧化鋅、矽酸丁酯、醋酸丁酯、甲基矽酸鈉等）加入反應釜中，加定量的水攪拌，並依次加入表面活性劑（苯磺酸鈉）、增稠劑（羥乙基纖維素、CMC等）、分散劑（六偏磷酸鈉）、消泡劑（磷酸三丁酯）等助劑；再慢慢加入矽溶膠，體質顏料、色漿。用砂磨機或膠體磨研細，可以按需要加入產分粗粒料。塗料的PH值在8.5-10之間。
矽溶膠無機高分子塗料的配方設計：
矽溶膠成膜時收縮較大，塗膜易龜裂，為克服這個缺點、，除了在無機塗料中添加纖維狀填料，還同時添加水溶性乳液作為輔助成膜物，使有機物填充在"—Si—O—Si—"，網狀結構中減少成膜收縮和溫差引起的脹縮變化。成為一種即具有無機塗料優良的耐候性、又具備有機塗料那樣優良的裝飾性、穩定性和施工性的有機複合塗料。一般可以這樣考濾：成膜物中無機物占50%~90%，有機物為50%10%。內用時添加聚醋酸乙烯乳液；外用時添加苯-丙乳液，鈦白粉先用金紅石型，體積濃度為5%，並可摻加大量體質顏料，其總體積濃度炒60%70%。
矽溶膠生產的濃縮階段,是一項耗能大、周期長的工藝環節。傳統的濃縮手段,一般采 用減常壓法脫水,使之得到所需濃度的矽溶膠。
從矽溶膠所表現出的pH值不同，矽溶膠又分為鹼性矽溶膠和酸性矽溶膠。它們都是重要的精細化工產品，具有不同的重要用途：如鹼性矽溶膠在精密鑄造，外牆塗料等領域套用;酸性矽溶膠在彩色顯像管、膠體鉛酸蓄電池，以及從國外引進的靜電植絨技術上套用等。
超濾膜濃縮法的單位產量能耗較低,周期較務短,設備投資較少,因而是一項降低產品成本、提高產品質量的有效途徑。
超濾法是一種較為先進的製備矽溶膠的方法。超濾法就是用超濾器進行濃縮。超濾器跟過濾器不同，超濾器所用的超濾膜只允許水及可溶性的鹽通過，不允許溶膠顆粒通過。可見該方法比較有效，它不僅能除去稀溶膠中的水分，而且還能除去少量的離子或易溶物。但是不允許在超濾膜上有濾餅或沉澱物出現，所以必須在不斷攪拌下進行超濾。超濾能否按預想的目的進行，關鍵是要有適用的超濾膜。
