二氧化硅膠體微粒的溶液“硅溶膠”能干啥？
2020-10-16 16:51
Silica Sol硅溶膠是二氧化硅膠體微粒在水中均勻分散形成的膠體溶液，具有許多優良性質和特點，作為一種精細化工產品，現已被廣泛應用于化工、材料、紡織、造紙、電子等工業領域。早在1915年，Schwerin首次以水玻璃為原料，采用電滲析法制備出含二氧化硅質量分數2.4%的硅溶膠，只是濃度太低，并沒有什么實際應用意義，1941年Bird利用離子交換法制得高濃度的硅溶膠后，才得以大規模的生產和應用。本文將對“硅溶膠”的制備工藝及應用范疇做簡單整理。
不同濃度的硅溶膠
一、簡單了解一下硅溶膠
硅溶膠外觀為乳白色半透明的膠體溶液，多呈穩定的堿性，少數呈酸性，硅溶膠中SiO2的濃度一般為10%~35%，濃度高時可達50%。硅溶膠粒子比表面積為50~400m2g，粒徑范圍一般在5~100nm，處于納米尺度，與一般粒徑為0.1~10um的乳液相比，其顆粒要小得多，分子式可表示為mSiO2.H2O，硅溶膠的膠團結構用以下化學式表示。
二、二氧化硅膠團結構
硅溶膠是具有膠體特性、質點近似球體、帶負電的溶膠，ζ電位、布朗運動及足夠的溶劑阻隔三大因素賦予其聚結穩定性和動力學穩定性，膠粒為介穩相，始終存在自發聚結的傾向。三大穩定因素只要有一種被削弱，它就會自動聚結，產生凝膠或聚沉。硅溶膠粒子的內部結構為硅氧烷鍵(-Si-O-Si-)，表面層由許多硅氧醇基(-SiOH)和羥基(-OH)所覆蓋，它們同膠體溶液中存在的堿金屬離子一起形成擴散雙電層，粒子間的靜電作用對膠體溶液的穩定起重要作用。
硅溶膠中二氧化硅的粒子大小是一重要質量指標，它對溶膠的許多性能都有重要影響。首先，粒子大小影響硅溶膠的穩定性，在等量穩定劑條件下，粒子越大穩定性越好，粒子越小膠凝越快。因此，為制造高濃度和性能穩定的硅溶膠，應設法使粒子尺寸足夠大。通常粒徑大于20nm，濃度高于40%的硅溶膠通常被稱作大粒徑高濃度硅溶膠。
應用在催化劑載體和高耐火度要求的行業，所需要的硅溶膠濃度要達到40%左右，通過再濃縮法得到硅溶膠所能達到的最高濃度與其溶膠顆粒自身粒徑大小有關，由于小的粒子穩定性較差，所以粒徑小于15nm的普通硅溶膠產品濃度一般只能達到30%，而粒徑大于20nm的硅溶膠產品濃度則可以達到40%甚至50%以上。
三、硅溶膠制備方法
自硅溶膠問世以來，對其制備方法的研究非常活躍。就原理而言，硅溶膠有2種制備方法：①利用溶液中化學反應生成的SiO2超微粒生長、成核，制得硅溶膠的方法為凝聚法;②利用機械將SiO2微粒在一定條件下分散于水中制得硅溶膠的方法為分散法。就工藝而言，可分為硅粉溶解法、離子交換法、膠溶法、分散法等。
1、硅粉溶解法。采用無機或有機堿作催化劑，以單質硅與純水反應來制備硅溶膠的方法稱為硅粉溶解法。
工藝流程圖及反應方程式
工藝簡析：硅粉在堿的催化作用下，與水反應，生成水合硅酸，水合硅酸在水介質中逐漸聚合，由單體自行脫水漸漸聚合成二元體、三元體乃至多元體，即成為水合硅酸的水溶液，就是硅溶膠。工藝過程中的硅粉的活化主要是為了除去硅粉表面形成的惰性膜，較好的方法是先用質量分數為48%的氫氟酸洗滌，然后依次用純水、醇、醚沖洗，最后在氮氣保護下干燥。
該法的優點是硅溶膠成品中雜質含量少，二氧化硅的膠粒粒形、粒徑、黏度、pH值、密度、純度等易控制，膠粒外形圓整均勻，結構致密，硅溶膠的穩定性較好。
2、離子交換法。離子交換法又稱粒子增長法，用水玻璃為原料。一般步驟為：陽離子交換反應制備活性硅酸溶液→調節活性硅酸溶液pH值→陳化制備晶種→向含晶種的母液中添加活性硅酸溶液促使晶種生長→最后純化濃縮制備得硅溶膠產品。
每個步驟對最終硅溶膠產品均有直接的影響。制備均勻性良好的晶種是制得優質硅溶膠的基礎，晶種生長階段要嚴格控制硅酸溶液加入量使體系中硅酸濃度始終處于最低成核濃度和飽和濃度之間，防止產生新的晶核，實現單純的粒徑增長。
3、電解電滲析法。電解電滲析法制備硅溶膠是一種電化學方法。在電解電滲析槽中加入電解質，調節電解質溶液的pH值，控制電解電滲析反應的電流密度、溫度等反應條件，在裝備有合適的電極(如析氫電極、氧陰極)的電解電滲析槽中反應后可制取硅溶膠成品。該法制備硅溶膠的操作條件可控制，便于優化硅溶膠成品的質量，是有開發價值的電化學方法。
4、膠溶法。膠溶法制備硅溶膠是先用酸中和水玻璃溶液形成凝膠，所得凝膠經過濾，水洗，然后加稀堿溶液，在加壓加熱條件下解膠即得溶膠。該法制得的硅溶膠粒徑分布較寬，純度較低。
5、酸中和法。酸中和法一般采用稀水玻璃(Na2O.xSiO2)作為起始原料，稀硫酸等無機酸作為酸化劑。根據酸用量的不同，可制備酸性或堿性硅溶膠。具體工藝步驟包括離子交換去除鈉離子、制備晶核、酸中和反應、晶粒增長。酸中和法制得的硅溶膠一般雜質離子含量較高，穩定性較差。
6、分散法。分散法是利用機械方法將二氧化硅微粒分散在溶劑中制備硅溶膠的物理方法。有報道“利用合適的分散工藝和添加劑，可將氣相二氧化硅粉末分散在水溶液中制得穩定時間高達1年，黏度低達1mPa·s的高性能硅溶膠。”
四、硅溶膠的基本特性及應用
性質決定用途，先來瞅瞅硅溶膠的特性：①具有較大的吸附性，硅溶膠中無數膠團產生的無數網絡結構空隙，在一定條件下能夠對無機物及有機物具有一定的吸附作用;②具有較大的比表面積;③硅溶膠具有較好的粘結性，自身風干即產生一定的粘結強度，但強度較小，如果將硅溶膠加入到某種纖維或粒狀材料中，然后干燥固化即可成為堅固的凝膠結構，會產生較大的粘結性;④ 良好的耐溫性;⑤硅溶膠具有高度的分散性、較好的耐磨性和良好的透光性等，因此可以做良好的分散劑、防腐劑、絮凝劑、冷卻劑等等。下面對硅溶膠部分經典應用簡單整理。
1、催化劑載體
硅溶膠具有較大的比表面積，制得的硅膠粒子均勻，孔徑和分布容易控制，是制備催化劑載體的最佳原料。氧化硅是第二大的催載體原料(一哥是氧化鋁)。
案例：美國Sohio化學公司氨氧化法制備丙烯腈所用的催化劑C41，就是將催化劑活性組分與硅溶膠混合，經噴霧干燥后制得的，其活性分布均勻，能使丙烯腈產率提高30%~40%。
2、半導體基片拋光
20世紀60年代以前，半導體基片拋光還大都沿用微米級磨料機械拋光，得到的機械拋光表面存在嚴重損傷。1965年Walsh和Herzog提出SiO2溶膠和凝膠拋光后，以SiO2漿料為代表的化學機械拋光工藝就逐漸代替了以上舊方法。
而二氧化硅水溶膠則是目前最具代表性的CMP用拋光漿料研磨微粒。目前主要采用分散法，即將納米SiO2粉末利用機械手段分散于水溶液中以獲得SiO2 CMP漿料。研究證明，在相同的拋光條件下，磨料的顆粒大小、形狀和單分散性等是影響拋光表面質量的重要因素。目前，在硅晶片化學機械拋光中普遍使用粒徑50～80nm左右的球形二氧化硅磨料。將粒子的硅溶膠做單晶硅拋光劑，不僅效果好，而且拋光速度快。
3、紡織工業
可以用做紡織上漿助劑，減少斷頭率;在織物染色中使用，因具有粘結性，可以形成優良的保護液，增加染色的附著力等等。
案例：硅溶膠與油劑并用，對羊毛進行噴霧或浸漬處理，改善了羊毛的可紡性，減少了斷頭，防止了飛花，提高了成品率。
4、造紙工業
作為感光紙的處理劑，玻璃紙的防粘劑，其他辦公用紙經處理后，可以提高打印效果，使顯色更加鮮明。
案例：把粉碎過的金屬硅粉直接與加熱到一定溫度的硅酸鈉或硅酸鉀反應制備出的高濃度、低粘度硅溶膠施于包裝水泥的牛皮紙或紙板的表面，可以防止其堆集時的滑落，并可改善紙品的耐濕性和強度;玻璃紙的缺點之一是溫度升高時發粘，如果用硅溶膠和甘油、單硬脂肪酸等組成的蠟狀物質處理，則可克服這個缺點。
5、陶瓷纖維高溫粘接劑
把硅酸鋁纖維用硅溶膠浸漬，加促凝劑，用做保溫絕熱材料;做高溫爐的耐火磚的表面粘結劑，粘結強度高，耐高溫(1000℃以上)，節約能源，對爐子改造既節約，又方便。
6、泡沫橡膠增強
在干橡膠中加入5%的硅溶膠，就可以使多孔泡沫橡膠增強20%，對一定體積的橡膠而言，因為彈性提高，可以節省20%的橡膠。
7、用在固體蓄電池的電解液
普通鉛酸蓄電池使用壽命短，使用硅溶膠可以配置成膠體蓄電池的凝膠電解液，就大大提高了蓄電池的使用壽命;同時，普通電解液硫酸，在機動車急轉彎時容易溢出，但固體蓄電池電解液的使用就很好的解決了這個問題，有效的防止了硫酸的滲漏和溢出，避免了污染環境。
8、應用于精密鑄造業
陶瓷薄殼型(熔模)精密鑄造法，就是由于使用了硅溶膠才發展起來的。用硅溶膠代替硅酸酯可降低成本，改善操作條件。用小粒子直徑硅溶膠制造的薄殼強度大、光潔度好，可大大提高鑄件質量和尺寸的精密度。
更多其他應用
硅溶膠可以作為啤酒、蘋果汁、葡萄酒、米酒、醬油的澄清劑，不影響色、香、味，對人體無毒害;用硅溶膠處理的裝潢物品，可使其抗污染性提高二倍，可見硅溶膠也是壁布表面的有效防污劑;用硅溶膠制取的防滑地板蠟，在工業和民用中已負盛名，細小的二氧化硅粒子粘附在地板表面的蠟膜上，防滑效果好，且不影響光澤度。硅溶膠能夠使涂料牢固，具有耐水，耐火，耐污，耐高溫，涂膜硬度大，色澤鮮艷，不褪色等優點，還可以應用于耐酸、耐堿、防火涂料和遠紅外線輻射涂料。
同泰化學納米二氧化硅產品介紹：
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