硅溶膠

　　基本信息

　　英文名稱：Silica solution

　　LUDOX硅溶膠在飲料中的應(yīng)用硅溶膠屬膠體溶液，無臭、無毒。硅溶膠為納米級(jí)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(guó)的NALCO公司在上世紀(jì)40年代開發(fā)，后由美國(guó)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(duì)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(guó)產(chǎn)品的弱勢(shì)。相對(duì)來說，硅粉一步水解法的工藝比較簡(jiǎn)單，目前在國(guó)內(nèi)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(yè)，而在精密拋光，催化劑等許多要求更高的領(lǐng)域則無大建樹。 與國(guó)際知名硅溶膠品牌相比，目前國(guó)產(chǎn)硅溶膠的主要缺點(diǎn)為雜質(zhì)含量高、顆粒大小無嚴(yán)格控制、顆粒比表面不受嚴(yán)格檢測(cè)、二氧化硅的濃度低、酸性或中性條件下穩(wěn)定性差、使用周期短、或多或少帶點(diǎn)顏色、品種少等等。目前國(guó)際知名硅溶膠品牌有杜邦以及格雷斯的LUDOX系列。

　　發(fā)展

　　硅溶膠無機(jī)高分子涂料是近幾年發(fā)展起來的。制備該涂料的關(guān)鍵技術(shù)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(shí)現(xiàn)，以生成一種極細(xì)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(jī)高分子涂料。硅溶液在失去水分時(shí)，單體硅酸逐漸聚合成高聚硅膠，隨水分的蒸發(fā)，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(yōu)于有機(jī)涂料。涂膜致密且較硬，不產(chǎn)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(qiáng)的。

　　細(xì)微的顆粒，對(duì)基層有較強(qiáng)的滲透力，能通過毛細(xì)管滲透到基層內(nèi)部，并能與混凝土基層中的氫氧化鈣反應(yīng)生成硅酸鈣，使涂料具有較強(qiáng)的粘結(jié)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(bǔ)充，可以配制出性能優(yōu)良的有機(jī)、無機(jī)復(fù)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(xì)(10 - 20nm)，有相當(dāng)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(zhì)混合時(shí)分散性和滲透性都非常好。

　　3. 當(dāng)硅溶膠水份蒸發(fā)時(shí)，膠體粒子牢固地附著在物體表面，粒子間形成硅氧結(jié)合，是很好的粘合劑。

　　用途

　　1. 用作各種耐火材料粘結(jié)劑，具有粘結(jié)力強(qiáng)、耐高溫(1500°C-1600°C), 等特點(diǎn)。

　　2.用于涂料工業(yè)，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(qiáng)度大、鑄造光潔度高。用其造型比水玻璃造型質(zhì)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(yè)，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(yè)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(jīng)濟(jì)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(shù)指標(biāo)

　　堿性鈉型 酸性無穩(wěn)定劑型 典型數(shù)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(yáng)離子交換樹脂采用強(qiáng)酸性苯乙烯陽(yáng)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(chǎn)工藝

　　將模數(shù)為3.5的硅酸鈉溶液用水稀調(diào)整至含SiO24%，Na201.15%;將液通過填裝陽(yáng)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(gè)平衡反應(yīng)，反應(yīng)的過程是：當(dāng)把含有Na+的硅酸溶液通過交換樹指時(shí)Na+取代了陽(yáng)離子交換樹脂上的H+。

　　于是水玻璃中的Na+已被除去，H+陽(yáng)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(zhì)量與下列因素有關(guān)：

　　樹脂再生的程度、平衡性質(zhì)、樹脂的高度、流入深度、離子大小等。

　　把通過陽(yáng)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(dá)到更加穩(wěn)定的狀態(tài)。以交換柱流出來的稀硅深膠濃渡很低，需進(jìn)行濃縮，為了防止?jié)饪s時(shí)膠凝，濃縮前必須迅速加入穩(wěn)定劑。穩(wěn)定劑常的為MOH(M為 L,Na,K,Rb,Cs,NH4.NH2等)穩(wěn)定劑的用量應(yīng)該恰當(dāng)，若小于SiO2摩爾數(shù)的1%則難于起到穩(wěn)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(diào)PH值至78。取900g調(diào)整液注信減壓器中進(jìn)行真這減壓濃縮。并以保持容器內(nèi)液面恒定為原則，徐徐加入剩余的 4100g調(diào)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(jìn)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(tuán)氧化，使樹脂再生，恢復(fù)交換能力。再生后和離子交換樹指必須用蒸餾水沖洗至規(guī)定的PH值為止，備下次使用。

　　硅溶膠的技術(shù)性能：

　　SiO2含量地20%30%(以H2SiO3計(jì)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(shí)首先選取含有-(CH2)nCH3.R-CH2-R及含親水基的物質(zhì)，經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)制得一種產(chǎn)物A，用此產(chǎn)物A 再與鈉水玻璃及H2SO4進(jìn)行反應(yīng)，最后制提改性水玻璃B。此產(chǎn)物溶于水中的穩(wěn)定期不少于三個(gè)月，失水成膜后，遇水不再溶解。

　　制備方法

　　硅橡膠合成的簡(jiǎn)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(huán)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(huán)狀體(D4)→在KOH存在下，D4聚合，鏈終止導(dǎo)致過程的完成。

　　硅溶膠無機(jī)高分子涂料的配制工藝與其他涂料沒什么特殊區(qū)別，但是硅溶膠應(yīng)慢慢加入，否則涂料將發(fā)生質(zhì)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(yīng)釜中，加定量的水?dāng)嚢瑁�并依次加入表面活性�?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(zhì)顏料、色漿。用砂磨機(jī)或膠體磨研細(xì)，可以按需要加入產(chǎn)分粗粒料。涂料的PH值在8.5-10之間。

　　硅溶膠無機(jī)高分子涂料的配方設(shè)計(jì)：

　　硅溶膠成膜時(shí)收縮較大，涂膜易龜裂，為克服這個(gè)缺點(diǎn)、，除了在無機(jī)涂料中添加纖維狀填料，還同時(shí)添加水溶性乳液作為輔助成膜物，使有機(jī)物填充在"—Si—O—Si—"，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(jī)涂料優(yōu)良的耐候性、又具備有機(jī)涂料那樣優(yōu)良的裝飾性、穩(wěn)定性和施工性的有機(jī)復(fù)合涂料。一般可以這樣考濾：成膜物中無機(jī)物占50%~90%，有機(jī)物為50%10%。內(nèi)用時(shí)添加聚醋酸乙烯乳液;外用時(shí)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(zhì)顏料，其總體積濃度炒60%70%。

　　硅溶膠生產(chǎn)的濃縮階段,是一項(xiàng)耗能大、周期長(zhǎng)的工藝環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)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(xiàn)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(xì)化工產(chǎn)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(lǐng)域應(yīng)用;酸性硅溶膠在彩色顯像管、膠體鉛酸蓄電池，以及從國(guó)外引進(jìn)的靜電植絨技術(shù)上應(yīng)用等。

　　超濾膜濃縮法的單位產(chǎn)量能耗較低,周期較務(wù)短,設(shè)備投資較少,因而是一項(xiàng)降低產(chǎn)品成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效途徑。

　　超濾法是一種較為先進(jìn)的制備硅溶膠的方法。超濾法就是用超濾器進(jìn)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(xiàn)，所以必須在不斷攪拌下進(jìn)行超濾。超濾能否按預(yù)想的目的進(jìn)行，關(guān)鍵是要有適用的超濾膜。