硅溶膠

　　基本信息

　　英文名稱：Silica solution

　　LUDOX硅溶膠在飲料中的應用硅溶膠屬膠體溶液，無臭、無毒。硅溶膠為納米級的二氧化硅顆粒在水中或溶劑中的分散液。由于硅溶膠中的SiO2含有大量的水及羥基，故硅溶膠也可以表述為SiO2.nH2O。

　　硅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，后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，硅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，用該法制備的硅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。 與國際知名硅溶膠品牌相比，目前國產硅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、二氧化硅的濃度低、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。目前國際知名硅溶膠品牌有杜邦以及格雷斯的LUDOX系列。

　　發展

　　硅溶膠無機高分子涂料是近幾年發展起來的。制備該涂料的關鍵技術是硅溶膠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硅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%￥，氧化硅和氧化鈉的比例在40%以上。以這種硅溶液/膠為基料，配合顏料和各種助劑而制成硅溶膠無機高分子涂料。硅溶液在失去水分時，單體硅酸逐漸聚合成高聚硅膠，隨水分的蒸發，膠體分子增大，最后形成-SIO-O-SIO-涂膜：IO-SI-OH+HO-SI-OH因NA2O在硅溶膠中的含量低，硅溶膠具有一定量成膜溶解的特性，其耐水性、耐熱性能明顯優于有機涂料。涂膜致密且較硬，不產生靜電，空氣中各種塵埃難粘附。在目前的建筑涂料中，它的抗污染能力是較強的。

　　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，并能與混凝土基層中的氫氧化鈣反應生成硅酸鈣，使涂料具有較強的粘結力。

　　但硅溶膠在成膜過程中體積收縮較大，涂膜易開裂。硅溶膠能與丙烯酸酯、醋酸乙烯等乳液任意相溶。兩者的特性相互補充，可以配制出性能優良的有機、無機復合涂料。

　　性狀

　　硅溶膠屬膠體溶液，無臭、無毒，分子式可表示為 mSiO2nH2O.

　　1.由于膠體粒子微細(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. 當硅溶膠水份蒸發時，膠體粒子牢固地附著在物體表面，粒子間形成硅氧結合，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.用于涂料工業，能使涂料牢固，又能抗污防塵、耐老化、防火等功能。

　　3.用于薄殼精密鑄造，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，代替硅酸乙酯造型可降低成本和改善操作條件。

　　4.硅溶膠有較高的比表面積，可用于催化劑制造及催化劑載體。

　　5.用于造紙工業，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，它與油劑并用處理羊毛、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

　　堿性鈉型 酸性無穩定劑型 典型數值

　　JN-20 JN-25 JN-30 JN-40 SW-20 SW-25 SW-30 二氧化硅(SiO2)含量，%

　　20.0-21.0 25.0-26.0 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，%≤

　　0.30 0.30 0.30 0.40 0.04 0.05 0.06 0.25 0.04

　　PH值 8.5-10.0 8.5-10.0 8.5-10.0 9.0 10.5 2.0-4.0 2.0-4.0 9.6 2.8

　　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 1.19-1.21 1.20 1.16

　　制備工藝

　　制備硅溶膠的工藝有：離子交換樹脂處理硅酸鈉稀溶液的方法;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鈉離子。舉例如下：

　　離子交換法

　　a 離子交換樹脂。陽離子交換樹脂采用強酸性苯乙烯陽離子交換樹脂;陰離子交換樹指采用弱堿性苯乙烯系陰離子交換樹脂。

　　b 生產工藝

　　將模數為3.5的硅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的硅酸膠稀液。

　　離子交換是一個平衡反應，反應的過程是：當把含有Na+的硅酸溶液通過交換樹指時Na+取代了陽離子交換樹脂上的H+。

　　于是水玻璃中的Na+已被除去，H+陽離子與硅離子與硅酸鈉中的SiO3生成具有活性的硅溶膠稀溶液流出。

　　硅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硅溶膠稀深再通過弱堿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硅深膠濃渡很低，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，若小于SiO2摩爾數的1%則難于起到穩定作用;若超過5%則將降低制品的純度。取 5kg上述硅溶膠用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。并以保持容器內液面恒定為原則，徐徐加入剩余的 4100g調整液。濃縮溫度保持78℃，最后制得900g含SiO220%，Na200.33%PH為9.6的硅溶膠，其平均粒徑約16mum。

　　離子交換樹脂進行離子交換后，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。再生后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。

　　硅溶膠的技術性能：

　　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(涂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，經過化學反應制得一種產物A，用此產物A 再與鈉水玻璃及H2SO4進行反應，最后制提改性水玻璃B。此產物溶于水中的穩定期不少于三個月，失水成膜后，遇水不再溶解。

　　制備方法

　　硅橡膠合成的簡要過程是：砂石或二氧化硅還原為單體硅→于300%溫度下，以銅作催化劑，硅與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)→通過蒸餾分離出二甲基氯化硅→二甲基氯化硅水解成硅烷又迅速合成為線型或環型硅氧烷→線型硅氧烷在氫氧化鉀(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。

　　硅溶膠無機高分子涂料的配制工藝與其他涂料沒什么特殊區別，但是硅溶膠應慢慢加入，否則涂料將發生質變。可以參考以下配制工藝：

　　把成膜助劑(常用的有氧化鋅、硅酸丁酯、醋酸丁酯、甲基硅酸鈉等)加入反應釜中，加定量的水攪拌，并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;再慢慢加入硅溶膠，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。涂料的PH值在8.5-10之間。

　　硅溶膠無機高分子涂料的配方設計：

　　硅溶膠成膜時收縮較大，涂膜易龜裂，為克服這個缺點、，除了在無機涂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涂料優良的耐候性、又具備有機涂料那樣優良的裝飾性、穩定性和施工性的有機復合涂料。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%，并可摻加大量體質顏料，其總體積濃度炒60%70%。

　　硅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硅溶膠。

　　從硅溶膠所表現出的pH值不同，硅溶膠又分為堿性硅溶膠和酸性硅溶膠。它們都是重要的精細化工產品，具有不同的重要用途：如堿性硅溶膠在精密鑄造，外墻涂料等領域應用;酸性硅溶膠在彩色顯像管、膠體鉛酸蓄電池，以及從國外引進的靜電植絨技術上應用等。

　　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制備硅溶膠的方法。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淀物出現，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。