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二氧化硅胶体微粒的溶液“硅溶胶”能干啥?
2020年06月18日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:338
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SilicaSol硅溶胶是二氧化硅胶体微粒在水中均匀扩散形成的胶体溶液,具有许多优良性质和特点,作为一种精细化工产品,现已被广泛应用于化工、材料、纺织、造纸、电子等工业。早在1915年,Schwerin首次以水玻璃为原料,采用电渗析法制备出含二氧化硅质量分数2.4%的硅溶胶,只是浓度太低,并没啥实际应用意义,1941年Bird利用离子交换法制得高浓度的硅溶胶,其后硅溶胶才得以大规模的生产和应用。本文将对“硅溶胶”的制备工艺及应用范畴做简单整理。

不同浓度的硅溶胶 

不同浓度的硅溶胶

简单了解一下硅溶胶

硅溶胶外观为乳白色半透明的胶体溶液,多呈稳定的碱性,少数呈酸性,硅溶胶中SiO2的浓度一般为10%~35%,浓度高时可达50%。硅溶胶粒子比表面积为50~400m2g,粒径范围一般在5~100nm,处于纳米尺度,与一般粒径为0.1~10um的乳液相比,其颗粒要小得多,分子式可表示为mSiO2.H2O,硅溶胶的胶团结构用以下化学式表示。

二氧化硅胶团结构 

二氧化硅胶团结构

硅溶胶是具有胶体特性、质点近似球体、带负电的溶胶,ζ电位、布朗运动及足够的溶剂阻隔三大因素赋予其聚结稳定性和动力学稳定性,胶粒为介稳相,始终存在自发聚结的倾向。三大稳定因素只要有一种被削弱,它就会自动聚结,产生凝胶或聚沉。硅溶胶粒子的内部结构为硅氧烷键(-Si-O-Si-),表面层由许多硅氧醇基(-SiOH)和羟基(-OH)所覆盖,它们同胶体溶液中存在的碱金属离子一起形成扩散双电层,粒子间的静电作用对胶体溶液的稳定起重要作用。

硅溶胶中二氧化硅的粒子大小是一重要质量指标它对溶胶的许多性能都有重要影响。首先,粒子大小影响硅溶胶的稳定性在等量稳定剂条件下粒子间的斥力位能跟粒子直径成正比所以粒子越大稳定性越好粒子越小胶凝越快。因此为制造高浓度和性能稳定的硅溶胶应设法使粒子尺寸足够大。通常粒径大于20nm,浓度高于40%的硅溶胶通常被称作大粒径高浓度硅溶胶。

应用在催化剂载体和高耐火度要求的行业,所需要的硅溶胶浓度要达到40%左右,通过再浓缩法得到硅溶胶所能达到的最高浓度与其溶胶颗粒自身粒径大小有关,由于小的粒子稳定性较差,所以粒径小于15nm的普通硅溶胶产品浓度一般只能达到30%,而粒径大于20nm的硅溶胶产品浓度则可以达到40%甚至50%以上。

硅溶胶制备方法

自硅溶胶问世以来,对其制备方法的研究非常活跃。就原理而言,硅溶胶有2种制备方法:①利用溶液中化学反应生成的SiO2超微粒生长、成核,制得硅溶胶的方法为凝聚法;②利用机械将SiO2微粒在一定条件下分散于水中制得硅溶胶的方法为分散法。就工艺而言,可分为硅溶解法、离子交换法、胶溶法、分散法等。

1、硅溶解法采用无机或有机碱作催化剂,以单质硅与纯水反应来制备硅溶胶的方法称为硅溶解法。

硅溶胶制备工艺流程图 

硅溶胶制备反应式 

工艺流程图及反应方程式

工艺简析:硅粉在碱的催化作用下,与水反应,生成水合硅酸,水合硅酸在水介质中逐渐聚合,由单体自行脱水渐渐聚合成二元体、三元体乃至多元体,即成为水合硅酸的水溶液,就是硅溶胶。工艺过程中的硅粉的活化主要是为了除去硅粉表面形成的惰性膜,较好的方法是先用质量分数为48%的氢氟酸洗涤,然后依次用纯水醚冲洗,最后在氮气保护下干燥。

该法的优点是硅溶胶成品中杂质含量少,二氧化硅的胶粒粒形、粒径、黏度、pH值、密度、纯度等易控制,胶粒外形圆整均匀,结构致密,硅溶胶的稳定性较好。

2、离子交换法。离子交换法又称粒子增长法,用水玻璃为原料。一般步骤为:阳离子交换反应制备活性硅酸溶液→调节活性硅酸溶液pH值→陈化制备晶种→向含晶种的母液中添加活性硅酸溶液促使晶种生长→最后纯化浓缩制备得硅溶胶产品。

每个步骤对最终硅溶胶产品均有直接的影响。制备均匀性良好的晶种是制得优质硅溶胶的基础,晶种生长阶段要严格控制硅酸溶液加入量使体系中硅酸浓度始终处于最低成核浓度和饱和浓度之间,防止产生新的晶核,实现单纯的粒径增长。

3电解电渗析法电解电渗析法制备硅溶胶是一种电化学方法。在电解电渗析槽中加入电解质,调节电解质溶液的pH值,控制电解电渗析反应的电流密度、温度等反应条件,在装备有合适的电极(如析氢电极、氧阴极)的电解电渗析槽中反应后可制取硅溶胶成品。该法制备硅溶胶的操作条件可控制,便于优化硅溶胶成品的质量,是有开发价值的电化学方法。

4胶溶法胶溶法制备硅溶胶是先用酸中和水玻璃溶液形成凝胶,所得凝胶经过滤,水洗,然后加稀碱溶液,在加压加热条件下解胶即得溶胶。该法制得的硅溶胶粒径分布较宽,纯度较低。

5酸中和法酸中和法一般采用稀水玻璃(Na2O.xSiO2)作为起始原料,稀硫酸等无机酸作为酸化剂。根据酸用量的不同,可制备酸性或碱性硅溶胶。具体工艺步骤包括离子交换去除钠离子、制备晶核、酸中和反应、晶粒增长。酸中和法制得的硅溶胶一般杂质离子含量较高,稳定性较差。

6、分散法分散法是利用机械方法将二氧化硅微粒分散在溶剂中制备硅溶胶的物理方法。有报道“利用合适的分散工艺和添加剂,可将气相二氧化硅粉末分散在水溶液中制得稳定时间高达1年,黏度低达1mPa·s的高性能硅溶胶。”

硅溶胶的基本特性及应用

性质决定用途,先来瞅瞅硅溶胶的特性:具有较大的吸附性硅溶胶中无数胶团产生的无数网络结构空隙在一定条件下能够对无机物及有机物具有一定的吸附作用具有较大的比表面积硅溶胶具有较好的粘结性自身风干即产生一定的粘结强度但强度较小如果将硅溶胶加入到某种纤维或粒状材料中然后干燥固化即可成为坚固的凝胶结构会产生较大的粘结性 良好的耐温性硅溶胶具有高度的分散性、较好的耐磨性和良好的透光性等,因此可以做良好的分散剂、防腐剂、絮凝剂、冷却剂等等。下面对硅溶胶部分经典应用简单整理。

硅溶胶的应用 

1、催化剂载体。硅溶胶具有较大的比表面积,制得的硅胶粒子均匀,孔径和分布容易控制,是制备催化剂载体的最佳原料。氧化硅是第二大的催载体原料(一哥是氧化铝)。

案例:美国Sohio化学公司氨氧化法制备丙烯腈所用的催化剂C41,就是将催化剂活性组分与硅溶胶混合,经喷雾干燥后制得的,其活性分布均匀,能使丙烯腈产率提高30%~40%。

2、半导体基片抛光20世纪60年代以前,半导体基片抛光还大都沿用微米级磨料机械抛光,得到的机械抛光表面存在严重损伤。1965年Walsh和Herzog提出SiO2溶胶和凝胶抛光后,以SiO2浆料为代表的化学机械抛光工艺就逐渐代替了以上旧方法。

而二氧化硅水溶胶则是目前最具代表性的CMP用抛光浆料研磨微粒。目前主要采用分散法,即将纳米SiO2粉末利用机械手段分散于水溶液中以获得SiO2CMP浆料。研究证明,在相同的抛光条件下,磨料的颗粒大小、形状和单分散性等是影响抛光表面质量的重要因素。目前,在硅晶片化学机械抛光中普遍使用粒径50~80nm左右的球形二氧化硅磨料。将粒子的硅溶胶做单晶硅抛光剂不仅效果好而且抛光速度快

硅溶胶用于单晶硅抛光剂 

3、纺织工业可以用做径纺上浆助剂,减少断头率;在织物染色中使用,因具有粘结性,可以形成优良的保护液,增加染色的附着力等等。

硅溶胶用于径纺上浆助剂 

案例:硅溶胶与油剂并用,对羊毛进行喷雾或浸渍处理,改善了羊毛的可纺性,减少了断头,防止了飞花,提高了成品率

4、造纸工业作为感光纸的处理剂玻璃纸的防粘剂其他办公用纸经处理后可以提高打印效果使显色更加鲜明

案例:把粉碎过的金属硅粉直接与加热到一定温度的硅酸钠或硅酸钾反应制备出的高浓度、低粘度硅溶胶施于包装水泥的牛皮纸或纸板的表面,可以防止其堆集时的滑落,并可改善纸品的耐湿性和强度;玻璃纸的缺点之一是温度升高时发粘,如果用硅溶胶和甘油、单硬脂肪酸等组成的蜡状物质处理,则可克服这个缺点。

硅溶胶用于造纸工业 

5、陶瓷纤维高温粘接剂。把硅酸铝纤维粘用硅溶胶浸渍,加促凝剂,做成温粘,用做保温绝热材料;做高温炉的耐火砖的表面粘结剂,粘结强度高,耐高温(1000℃以上),节约能源,对炉子改造即节约,又方便。

6、泡沫橡胶增强。在干橡胶中加入5%的硅溶胶,就可以使多孔泡沫橡胶增强20%,对一定体积的橡胶而言,因为弹性提高,可以节省20%的橡胶。

7、用在固体蓄电池的电解液普通铅酸蓄电池使用寿命短,使用硅溶胶可以配置成固体蓄电池的电解液,就大大提高了蓄电池的使用寿命;同时,普通电解液硫酸在机动车急转弯时容易溢出但固体蓄电池电解液的使用就很好的解决了这个问题,有效的防止了硫酸的渗漏和溢出避免了污染环境。

8、应用于精密铸造业陶瓷薄壳型(熔模)精密铸造法,就是由于使用了硅溶胶才发展起来的。用硅溶胶代替硅酸酯可降低成本,改善操作条件。用小粒子直径硅溶胶制造的薄壳强度大、光洁度好,可大大提高铸件质量和尺寸的精密度。

更多其他应用。硅溶胶可以作为啤酒、苹果汁、葡萄酒、米酒、酱油的澄清剂,不影响色、香、味,对人体无毒害;用硅溶胶处理的装潢物品,可使其抗污染性提高二倍,可见硅溶胶也是壁布表面的有效防污剂用硅溶胶制取的防滑地板蜡,在工业和民用中已负盛名,细小的二氧化硅粒子粘附在地板表面的蜡膜上,防滑效果好,且不影响光泽柔和。硅溶胶能够使涂料牢固具有耐水耐火耐污耐高温涂膜硬度大色泽鲜艳不褪色等优点.还可以应用于耐酸耐碱防火涂料和远红外线辐射涂料

参考资料:

1、硅溶胶的性质、制法及应用殷馨华东理工大学;戴媛静,深圳清华大学研究院。

2、硅溶胶的性质、制备和应用;田华,陈连喜,刘全文,武汉理工大学理学院。

3、硅溶胶的研究进展及应用,段晓娜,孙羊羊,张海红,尚会建,郑学明,河北科技大学化学与制药工程学院;尚会建,天津大学化工学院。

备注

无机高分子:又称为无机聚合物,一般无机聚合物定义为:主链由非碳原子共价键结合而成的巨大分子。无机聚合物是由非碳原子(N、P、O、S等杂原子)组成的大分子物质,原子间主要以共价健相结合,形成与有机聚合物中的碳链相类似的杂原子主链。

溶胶与凝胶的区别:溶胶又称胶体溶液,指在液体介质中分散了1-100nm的粒子,且在分散体系中保持固体物质不沉淀的胶体体系。凝胶溶胶失去流动性后,一种富含液体的半固态物质,其中液体的含量可高达99.5%,固体粒子则呈连续的网络体。

化学机械抛光技术:机械削磨和化学腐蚀相结合的技术,它借助超微粒子的研磨作用及浆料的化学腐蚀作用,在被研磨的介质表面如单晶硅片(wafer)、集成电路(IC)氧化物薄膜、金属薄膜等上形成光洁平坦平面,现已成为半导体加工行业的主导技术。

粉体圈 作者Alpha

 

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