硅溶胶(silicasol)是纳米SiO₂（二氧化硅）粒子分散在水（或有机溶剂）中形成的胶体分散液，又名硅酸溶液。硅溶胶为无色或乳白色透明液体，是一种性能优良的纳米材料，无定形二氧化硅颗粒在水或有机溶剂中均匀分散形成胶体溶液，内部结构是由无数胶团共同形成网络结构，因此具有大的比表面积、高吸附性，其特殊的高分散度、高耐火绝热性等优良的性能被广泛应用在精密铸造业，纺织业，催化工业，造纸和涂料工业。

透明状硅溶胶

最初的硅溶胶，是1915年Schwerin首次用电渗析法制备出 w（SiO2）= 2.4%（相对于硅溶胶质量而言）的硅溶胶，但浓度太低，难以满足实际应用要求。后续获得大规模推广应用的是1941年Bird采用离子交换法的制备方法，是如今工业上最常见的制备方法的雏形。目前主要采用离子交换法及单质Si一步溶解法来制备。其中单质硅一步溶解法工艺较简单，杂质含量少，稳定性高，二氧化硅的胶粒粒形、粒径、PH值、密度等易控制，能减少设备投资，缩短生产周期，工业生产上用得最多。

单质硅一步溶解法工艺流程

然而，虽然硅溶胶具有较多优良性能，但其稳定性、粒径较难控制，故其作为原料在制备有关化工产品时，终端产物的韧性、稳定性等理化性能可能存在不足，传统的硅溶胶通常存在涂膜易开裂、干燥慢、稳定性和疏水性差等缺点。随着其应用范围的不断拓宽、使用要求的不断提高，传统的硅溶胶已无法满足工业发展的需要，故必须采用一定的手段对传统的硅溶胶进行改进。

改性一般是通过增强稳定性和通过一定手段改变表面呈负电的极性硅羟基（—Si—OH）的特性，从而改善性能。电解质、pH、温度、粒径及浓度等的改变均能引起硅溶胶稳定性的变化。

硅溶胶的胶团结构

硅溶胶的改性方法有化学改性及物理共混两种：化学改性可得到更优异的性能，而后者则因无化学键形成而稳定性较差。常见的化学改性方法有金属离子改性、硅烷偶联剂改性。

（1）金属离子改性

这种方法是用金属离子对硅溶胶表面进行改性，可有效改善溶胶的稳定性，制得高稳定性的硅溶胶。其改性原理是：在溶胶中添加多价金属氢氧化物或金属氧化物，胶粒表面部分的硅羟基被金属离子所置换，金属离子起到稳定剂的作用。

其中，研究较多的有铝改性、硼改性硅溶胶。

改性的目的的让带负电的无机微粒加入，使硅溶胶的电负性得到提高，从而使硅溶胶的稳定性大幅提高。此外，硅溶胶经金属改性后，金属离子进入固定层，使电位降低，胶团水化层变薄，从而有效降低了硅溶胶的凝胶浓度，使干燥速率增加，故可利用这种性质来制备快干涂料。

Al改性硅溶胶的机制

通过金属离子改性后，硅溶胶在不同PH体系中凝胶程度降低，稳定性大幅提高，粒径细小均匀，比表面积更大，可用于多种行业的微粒助留、助滤体系，以及用于给一些材料附加一定的疏水性、抗静电性和阻燃性等，提高综合性能。

（2）硅烷偶联剂改性

这种方法是结合无机与有机的特性对材料进行改性，无机材料具有高强度、高硬度和良好的耐老化性能等优点，但存在质脆、韧性差和表面功能基团相对单一等缺点；有机材料通常具有良好的弹性、韧性和可加工性等优点，但存在不耐高温、抗老化性能差和耐溶剂稳定性欠佳等缺点。

通过硅烷偶联剂将硅溶胶进行改性（使无机Si和有机组分进行链接），从而有效防止了硅溶胶粒子的团聚，制得的有机-无机杂化材料兼具有机、无机材料等优点，甚至产生了单一材料所不具备的新性能（可满足某些特殊的使用要求）。

硅烷偶联剂作用机理

硅烷偶联剂改性硅溶胶在有机相中的分散性变好，表面柔韧性、强度和疏水性等均有所增强，目前已广泛应用于涂料、分离膜及纳米复合材料等领域，在光电材料、涂料、陶瓷材料和生物医药等领域中具有广阔的应用前景。在涂料中加入改性硅溶胶，可显著提高涂层的加工性能、柔韧性和强度等理化性能。

然而，当前在改性方面存在的问题是：不同作用的金属离子种类还有待开发，硅烷偶联剂的品种也较少，有机-无机相的杂化程度还不够理想，有待于改进。随着改性体系的进一步开发完善，硅溶胶的应用价值也能扩展到新的领域，实现更多元化、更高标准的工业要求。

参考来源：

1. 改性硅溶胶的研究现状及进展，周楠、戴雷、史述宾、闫立峰、余海斌1（1.中国科学院宁波材料技术与工程研究所；2.中国科学技术大学纳米科学技术学院）

2. 单质硅溶解法制备硅溶胶工艺研究，田立朋、王力、王丽君（山东科技大学化学与环境工程学院，青岛科技大学化学与分子工程学院）

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