硅溶膠

英文名稱：Silica solution

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。由於硅溶膠中的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，後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，用該法製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。

硅溶膠無機高分子塗料是近幾年發展起來的。製備該塗料的關鍵技術是 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製成硅溶膠無機高分子塗料。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，最後形成-SIO-O-SIO-塗膜：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、耐熱性能明顯優於有機塗料。塗膜緻密且較硬，不產生靜電，空氣中各種塵埃難粘附。在目前的建築塗料中，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，並能與混凝土基層中的氫氧化鈣反應生成硅酸鈣，使塗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，塗膜易開裂。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，可以配製出性能優良的有機、無機複合塗料。

硅溶膠屬膠體溶液，無臭、無毒，分子式可表示為 mSiO2nH2O。

1.由於膠體粒子微細(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。

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.用於塗料工業，能使塗料牢固，又能抗污防塵、耐老化、防火等功能。

3.用於薄殼精密鑄造，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，可用於催化劑製造及催化劑載體。

5.用於造紙工業，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，它與油劑並用處理羊毛、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。

鹼性鈉型 酸性無穩定劑型 典型基礎參數數值

TS-15 TS-30 TS-32W TS-950

二氧化硅（SiO2）含量，%

15-16 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，%≤

0.10 0.50 0.55 0.40 0.04 0.05 0.06 0.25 0.04

PH值 9 9.5 9.5-10 10.5

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

製備硅溶膠的工藝有：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於水的鈉離子。舉例如下：

a 離子交換樹脂。陽離子交換樹脂採用強酸性苯乙烯陽離子交換樹脂；陰離子交換樹指採用弱鹼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+。

於是水玻璃中的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鹼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，若小於SiO2摩爾數的1%則難於起到穩定作用；若超過5%則將降低製品的純度。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。並以保持容器內液面恆定為原則，徐徐加入剩餘的4100g調整液。濃縮溫度保持78℃，最後製得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（塗4）10.9S可存期一年。

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，經過化學反應製得一種產物A，用此產物A 再與鈉水玻璃及H2SO4進行反應，最後制提改性水玻璃B。此產物溶於水中的穩定期不少於三個月，失水成膜后，遇水不再溶解。

硅橡膠合成的簡要過程是：砂石或二氧化硅還原為單體硅→於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。

硅溶膠無機高分子塗料的配製工藝與其他塗料沒什麼特殊區別，但是硅溶膠應慢慢加入，否則塗料將發生質變。可以參考以下配製工藝：

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，並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。塗料的PH值在8.5-10之間。

硅溶膠無機高分子塗料的配方設計：

硅溶膠成膜時收縮較大，塗膜易龜裂，為克服這個缺點、，除了在無機塗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塗料優良的耐候性、又具備有機塗料那樣優良的裝飾性、穩定性和施工性的有機複合塗料。一般可以這樣考濾：成膜物中無機物佔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%，並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，硅溶膠又分為鹼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：如鹼性硅溶膠在精密鑄造，外牆塗料等領域應用；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製備硅溶膠的方法。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澱物出現，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。