二氧化(huà)矽膠體微粒的(de)溶液“矽溶膠”能(néng)幹啥？

　　Silica Sol矽溶膠是(shì)二氧化矽膠體(ti)微粒在水中均(jun1)勻分散形成的(de)膠體溶液，具有(you)許多優良性質(zhì)和特點，作爲一(yi)種精細化工産(chan)♈品，現📐已被🌈廣泛(fan)應用于化工、材(cái)料、紡織、造紙、電(diàn)子等工業領域(yu)。早在📧1915年，Schwerin首次以(yǐ)水玻璃爲原料(liào)，采用電滲析法(fa)制備出含二氧(yǎng)化矽📧質量分數(shù)⛱️2.4%的矽溶膠，隻是(shi)濃度太低，并沒(méi)有什麽實際應(ying)用意♊義，1941年Bird利用(yong)離子交換法制(zhì)得高🐆濃度的矽(xī)溶膠後，才得以(yi)大規模的生産(chan)和應用。本文将(jiang)🔞對“矽溶膠”的制(zhi)備😍工藝及應用(yòng)範疇做簡單整(zheng)理。

　　不同濃度的(de)矽溶膠

　　一、簡單(dan)了解一下矽溶(rong)膠

　　矽溶膠外觀(guān)爲乳白色半透(tou)明的膠體溶液(ye)，多呈穩定🔞的堿(jian)🌈性，少數呈酸性(xìng)，矽溶膠中SiO2的濃(nong)度一般爲10%~35%，濃度(dù)高時可達50%。矽溶(róng)膠粒子🆚比表面(mian)積爲50~400m2g，粒徑範圍(wéi)一般在5~100nm，處👨‍❤️‍👨于納(na)米尺度，與一般(bān)粒徑爲0.1~10um的乳液(yè)相比，其顆粒要(yào)小得多，分子💃🏻式(shi)可表示爲mSiO2.H2O，矽溶(rong)膠的膠團結構(gou)用以下化學式(shì)表示。

　　二、二氧化(hua)矽膠團結構

　　矽(xī)溶膠是具有膠(jiao)體特性、質點近(jin)似球體、帶負電(diàn)的溶膠，ζ電位、布(bu)朗運動及足夠(gòu)的溶劑阻隔三(san)大因素🌂賦予其(qi)聚結穩定性和(he)動力學穩定性(xing)，膠粒爲介穩相(xiàng)，始終存在自發(fa)聚結的傾向。三(san)大穩定因素隻(zhī)要有一種被㊙️削(xue)弱，它就🥵會自動(dòng)聚結，産生凝🐪膠(jiāo)或聚沉。矽溶膠(jiao)粒子的内部結(jié)構爲矽氧烷鍵(jian)(-Si-O-Si-)，表面層由許♈多(duo)矽氧醇基(-SiOH)和羟(qiang)基(-OH)所覆蓋，它們(men)同膠體溶液中(zhong)存在的堿金屬(shǔ)離子一起形🙇‍♀️成(cheng)擴散雙電層，粒(lì)子間的靜電作(zuo)用對膠體溶液(yè)的穩定起重要(yào)作用。

　　矽溶膠中(zhōng)二氧化矽的粒(li)子大小是一重(zhòng)要質量指标，它(ta)對溶膠💚的許多(duō)性能都有重要(yao)影響。首先，粒子(zi)大小影響矽溶(róng)膠的💛穩定性，在(zai)等量穩定劑條(tiáo)件下，粒子越大(dà)穩定⁉️性越好，粒(li)子越小膠凝越(yuè)快。因此，爲制造(zào)高濃度和性能(néng)穩定的矽溶膠(jiāo)，應設法使粒子(zi)♻️尺寸足夠大。通(tōng)常粒徑大📧于20nm，濃(nóng)度高于40%的矽溶(róng)膠通常被稱作(zuo)大粒徑高濃度(dù)矽溶膠。

　　應用在(zai)催化劑載體和(hé)高耐火度要求(qiú)的行業，所需要(yào)的矽🈲溶膠濃度(dù)要達到40%左右，通(tōng)過再濃縮法得(de)到☀️矽溶膠所能(néng)達到的最高濃(nóng)度與其溶膠顆(ke)粒自身粒徑大(da)小有關，由于小(xiao)的粒子穩定性(xìng)較差，所以粒徑(jìng)小于15nm的🏃🏻‍♂️普通矽(xī)溶膠産品濃度(du)一般隻能達到(dao)30%，而💛粒徑大于20nm的(de)矽溶膠産品📞濃(nóng)度則可以達到(dào)40%甚至50%以🌐上。

　　三、矽(xi)溶膠制備方法(fa)

　　自矽溶膠問世(shi)以來，對其制備(bèi)方法的研究非(fēi)常活🚶躍。就🈲原理(lǐ)而言，矽溶膠有(yǒu)2種制備方法：①利(lì)用溶液中化學(xué)反應生成的SiO2超(chao)微粒生長、成核(he)，制得矽溶膠的(de)方法爲凝聚法(fǎ);②利用機械将SiO2微(wei)粒在一✂️定條件(jian)下分📞散于水中(zhong)制得矽溶膠的(de)方法爲分散法(fa)。就工藝而言，可(ke)分爲矽粉溶解(jie)法、離子交換法(fa)、膠溶法、分散法(fa)等。

　　1、矽粉溶解法(fǎ)。采用無機或有(yǒu)機堿作催化劑(jì)，以單質矽與純(chun)水反應來制備(bèi)矽溶膠的方法(fa)稱爲矽粉溶解(jie)法。

 

工藝流程圖(tu)及反應方程式(shì)

　　工藝簡析：矽粉(fěn)在堿的催化作(zuo)用下，與水反應(ying)，生成水合👣矽酸(suan)☁️，水合矽酸在水(shuǐ)介質中逐漸聚(jù)合，由單體自行(hang)脫水漸漸聚合(he)☀️成二元體、三元(yuán)體乃至多元體(tǐ)♈，即成爲水合矽(xī)酸的水🧑🏾‍🤝‍🧑🏼溶液，就(jiù)🎯是矽溶膠。工藝(yi)過程中的矽粉(fěn)🔞的活化主要是(shì)爲了除去矽粉(fěn)表面形成的惰(duò)性膜，較好的方(fang)法是♈先用質量(liang)分數爲48%的氫氟(fú)酸洗滌，然後依(yī)次用純水、醇、醚(mí)🤟沖洗，最後在氮(dan)氣保護下幹燥(zao)。

　　該法的優點是(shi)矽溶膠成品中(zhōng)雜質含量少，二(èr)氧化矽的膠⭕粒(li)粒形、粒徑、黏度(dù)、pH值、密度、純度等(deng)易控制，膠粒外(wai)🐪形圓❌整均勻，結(jié)構緻密，矽溶膠(jiao)的穩定性較好(hao)。

　　2、離子交換法。離(li)子交換法又稱(cheng)粒子增長法，用(yong)水玻璃爲原料(liào)。一般步驟爲：陽(yang)離子交換反應(yīng)制備活性矽酸(suan)溶液🏃‍♀️→調節活性(xìng)矽酸溶液pH值→陳(chén)化制備晶種→向(xiang)含晶種的母液(yè)中添加活性矽(xi)❓酸溶液☁️促使晶(jīng)種生長→最後純(chún)化濃縮制備得(de)矽溶💃膠産品。

　　每(měi)個步驟對最終(zhong)矽溶膠産品均(jun)有直接的影響(xiang)。制備均勻性良(liáng)好的晶種是制(zhi)得優質矽溶膠(jiāo)的基礎，晶種生(sheng)長階段要嚴格(gé)控制矽酸溶液(yè)加入量使體系(xì)中矽酸濃度始(shǐ)終處于最低成(chéng)核濃度和飽和(hé)濃🥵度之間，防止(zhi)産生新的晶核(hé)，實現單純的粒(li)徑增長。

　　3、電解電(diàn)滲析法。電解電(diàn)滲析法制備矽(xī)溶膠是一種電(diàn)化學❤️方🚶‍♀️法。在電(dian)解電滲析槽中(zhōng)加入電解質，調(diào)節電解質溶液(ye)的pH值，控制電解(jie)電滲析反應的(de)電流密🚶度、溫度(du)等反應條件，在(zai)裝備有合适的(de)電極(如析氫電(dian)極、氧陰極)的電(dian)解電滲析槽中(zhong)反應後可制取(qu)矽溶膠成品。該(gāi)法制備矽溶膠(jiāo)的操作條件可(ke)控制，便于優化(huà)矽溶🤟膠🔅成品的(de)質量，是有開發(fā)價值的電化學(xué)方法。

　　4、膠溶法。膠(jiao)溶法制備矽溶(róng)膠是先用酸中(zhōng)和水玻璃溶液(yè)形成凝膠，所得(dé)凝膠經過濾，水(shui)洗，然後加稀堿(jian)溶液⭕，在加壓加(jiā)⁉️熱條件下解膠(jiao)即得溶膠。該法(fǎ)制得的矽溶💰膠(jiāo)粒徑分布較寬(kuan)，純度較低。

　　5、酸中(zhong)和法。酸中和法(fa)一般采用稀水(shui)玻璃(Na2O.xSiO2)作爲起始(shǐ)原料🚩，稀硫酸☂️等(děng)無機酸作爲酸(suān)化劑。根據酸用(yong)量的不同，可制(zhi)備酸性或堿性(xìng)矽溶膠。具體工(gong)藝步驟包括離(lí)子交換去除鈉(nà)離子、制備晶核(hé)、酸中和反應、晶(jīng)粒增長。酸中和(hé)法制得的矽溶(róng)膠一般雜📐質離(li)子含🐅量較高，穩(wen)定性較差。

　　6、分散(sàn)法。分散法是利(li)用機械方法将(jiang)二氧化矽微粒(lì)分散在💁溶劑中(zhōng)制備矽溶膠的(de)物理方法。有報(bao)道“利用合适的(de)分散工藝✂️和添(tian)加劑，可将氣相(xiàng)二氧化矽👣粉末(mo)分散在水溶液(yè)中制得穩定時(shí)間高達1年，黏度(dù)低達1mPa·s的高性能(néng)矽溶膠。”

　　四、矽溶(rong)膠的基本特性(xing)及應用

　　性質決(jue)定用途，先來瞅(chou)瞅矽溶膠的特(te)性：①具有較大的(de)吸附性⭐，矽溶膠(jiāo)中無數膠團産(chan)生的無數網絡(luo)結構空隙，在🧡一(yi)定條件下能夠(gou)對無機物及有(you)機物具有一定(ding)的吸附作用;②具(jù)有較大的比表(biao)面積;③矽溶膠㊙️具(jù)有較好的粘結(jie)性，自身風幹🏒即(jí)産生一定的粘(zhan)結☂️強度，但強度(dù)較小，如果将矽(xi)溶膠加入到某(mou)種纖維㊙️或粒狀(zhuàng)材料中，然後幹(gàn)燥固化🏃‍♂️即可成(chéng)爲堅固的凝🔴膠(jiao)結構，會産生較(jiao)大的粘結性;④ 良(liang)好的耐溫性;⑤矽(xī)溶膠具有高度(dù)的分散性、較好(hao)的耐磨性和良(liang)好的透光性等(děng)，因此可以做良(liáng)好的分⛱️散劑、防(fáng)腐劑、絮凝劑‼️、冷(lěng)卻劑等等。下面(mian)對矽溶膠部分(fen)經典應用簡單(dan)整🌈理。

　　1、催化劑載(zai)體

　　矽溶膠具有(yǒu)較大的比表面(miàn)積，制得的矽膠(jiāo)粒子均勻，孔徑(jìng)和分布容易控(kòng)制，是制備催化(huà)劑載體的最佳(jiā)原料。氧化矽💁是(shì)第二大的催載(zǎi)體原料(一哥是(shi)氧化鋁)。

　　案例：美(měi)國Sohio化學公司氨(an)氧化法制備丙(bǐng)烯腈所用的催(cui)化🐅劑C41，就是将催(cuī)化劑活性組分(fen)與矽溶膠混合(hé)，經♋噴霧幹燥後(hou)制得的，其活🏃🏻性(xing)分布均勻，能使(shi)丙烯腈産率提(tí)🔱高30%~40%。

　　2、半導體基片(pian)抛光

　　20世紀60年代(dai)以前，半導體基(ji)片抛光還大都(dōu)沿用微米級磨(mó)料機🚶械抛光，得(de)到的機械抛光(guang)表面存在嚴重(zhòng)損傷🌈。1965年Walsh和Herzog提出(chū)☔SiO2溶膠和凝膠抛(pāo)光後，以SiO2漿料爲(wei)代表的化學機(jī)械抛💃光工藝🤟就(jiu)逐漸代替了以(yi)上舊方法。

　　而二(er)氧化矽水溶膠(jiāo)則是目前最具(jù)代表性的CMP用抛(pao)光漿料研🌏磨微(wēi)粒。目前主要采(cǎi)用分散法，即将(jiāng)納米SiO2粉末🈚利用(yòng)機械手段分散(sàn)🚶‍♀️于水溶液中以(yǐ)獲得SiO2 CMP漿料。研究(jiū)證明，在相🎯同的(de)抛光條件下，磨(mo)料的顆粒大小(xiǎo)、形狀和單分散(san)性等是影響抛(pao)光表面質量的(de)重要🈲因素。目前(qian)，在♍矽晶片化學(xue)機械抛光中普(pu)遍使用粒徑50～80nm左(zuǒ)右的球形二氧(yang)化矽磨料。将粒(lì)子的矽溶膠做(zuo)單晶矽抛🧑🏽‍🤝‍🧑🏻光劑(jì)，不僅效果好，而(ér)且抛光速度快(kuai)。

　　3、紡織工業

　　可以(yǐ)用做紡織上漿(jiang)助劑，減少斷頭(tou)率;在織物染色(sè)中使用，因具🛀有(yǒu)粘結性，可以形(xíng)成優良的保護(hu)液，增加染色的(de)附着力等等。

　　案(an)例：矽溶膠與油(yóu)劑并用，對羊毛(mao)進行噴霧或浸(jin)漬處理，改⛱️善了(le)😍羊毛的可紡性(xìng)，減少了斷頭，防(fang)止了飛花，提高(gao)了成品率。

　　4、造紙(zhǐ)工業

　　作爲感光(guāng)紙的處理劑，玻(bō)璃紙的防粘劑(jì)，其他辦公用紙(zhi)經處理後，可以(yi)提高打印效果(guo)，使顯色更加鮮(xian)🚶明。

　　案例：把粉碎(suì)過的金屬矽粉(fen)直接與加熱到(dào)一定溫度的矽(xi)酸鈉或矽酸鉀(jia)反應制備出的(de)高濃度、低粘度(dù)矽溶膠施于包(bao)裝水泥的牛皮(pí)紙或紙闆的表(biao)面，可以防止其(qi)堆集時的滑落(luo)，并可改善紙品(pǐn)的耐濕性和強(qiang)度㊙️;玻璃紙的🌈缺(que)點之一是溫度(dù)升高時發粘，如(rú)果用矽溶💔膠和(hé)甘油、單硬脂肪(fáng)酸等組成的蠟(là)狀物質處理，則(ze)🎯可克服這個缺(quē)點。

　　5、陶瓷纖維高(gāo)溫粘接劑

　　把矽(xi)酸鋁纖維用矽(xi)溶膠浸漬，加促(cù)凝劑，用做保溫(wēn)絕熱材料🚶;做高(gao)溫爐的耐火磚(zhuan)的表面粘結劑(ji)，粘結強度🐪高，耐(nai)高溫(1000℃以上)，節約(yuē)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻能源，對爐子改(gǎi)造既節約，又方(fang)便。

　　6、泡沫橡膠增(zēng)強

　　在幹橡膠中(zhong)加入5%的矽溶膠(jiao)，就可以使多孔(kong)泡沫橡膠增強(qiang)⛷️20%，對一定體積的(de)橡膠而言，因爲(wei)彈性提高，可以(yi)節省20%的橡膠♊。

　　7、用(yong)在固體蓄電池(chi)的電解液

　　普通(tong)鉛酸蓄電池使(shi)用壽命短，使用(yong)矽溶膠可以配(pèi)置成膠體蓄電(dian)池的凝膠電解(jie)液，就大大提高(gāo)了蓄電池的使(shǐ)用壽❄️命;同時，普(pu)通電解液硫酸(suan)，在機動車急轉(zhuan)彎時容易溢出(chu)，但固體蓄電池(chi)電解液的使用(yòng)就很好的解決(jué)了這個問題，有(you)效的防止🏒了硫(liu)酸的💯滲漏和溢(yi)出，避免了污染(ran)環境。

　　8、應用于精(jing)密鑄造業

　　陶瓷(ci)薄殼型(熔模)精(jīng)密鑄造法，就是(shi)由于使用了矽(xi)溶膠💛才發展起(qǐ)來的。用矽溶膠(jiāo)代替矽酸酯可(ke)降低成本，改善(shan)操作條件。用小(xiao)粒子直徑矽溶(róng)膠制造的薄殼(ke)強度大、光潔度(du)好，可大大提高(gao)鑄件質量和尺(chǐ)寸的精密度。

　　更(gèng)多其他應用

　　矽(xi)溶膠可以作爲(wèi)啤酒、蘋果汁、葡(pu)萄酒、米酒、醬油(yóu)的🈚澄清劑，不影(ying)響色、香、味，對人(rén)體無毒害;用矽(xī)溶膠處理的🐆裝(zhuāng)潢物品✔️，可使其(qi)抗污染性提高(gao)二倍，可見矽溶(rong)膠也是壁布表(biǎo)面的有效防污(wū)劑;用矽溶膠制(zhì)取的防滑地闆(pǎn)蠟，在工🙇‍♀️業和民(mín)用中已負盛名(ming)，細小的二氧化(huà)矽粒子粘附在(zài)地闆表面的蠟(là)膜上，防滑效果(guo)好，且不影響光(guang)澤度。矽溶膠📐能(neng)夠使塗料牢固(gu)，具有耐水，耐火(huo)，耐污‼️，耐高溫，塗(tu)膜硬度大，色澤(zé)鮮豔，不褪🌈色等(děng)優點，還可以應(ying)用于耐酸、耐堿(jiǎn)、防火塗料和🌈遠(yuǎn)紅外線輻射塗(tú)料。

　　同泰化學納(na)米二氧化矽産(chan)品介紹：

　　同泰化(hua)學代理諾力昂(áng)Levasil納米二氧化矽(xi)産品，包含了數(shu)十種産品，廣泛(fan)用于塗料、造紙(zhi)、抛光、蓄電池、精(jīng)密鑄造、催化載(zai)體、食品、耐火材(cai)料、紡織纖維處(chu)理、塑料薄膜塗(tu)層、清洗劑、顔料(liào)分散和土木工(gong)程等多個方面(mian)。諾力昂公司的(de)水性納米二氧(yang)化矽分散液采(cǎi)用先進的自動(dong)化生産線和過(guò)程控制系統，在(zai)原材料檢測、生(shēng)産過程監測和(he)成品質量控制(zhi)等多個方面嚴(yán)格把關，産品質(zhi)量穩定可靠。我(wǒ)們有能力爲客(ke)戶提供高品質(zhi)的産品和服務(wù)，與客戶發展長(zhang)期戰略合作夥(huǒ)伴關系。

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