氧化硅溶胶凝胶涂层

催化剂的用量对溶解法制硅溶胶的影响

前言

背景：研究硅溶胶的制备可追溯到1915年，发明者Schwerin首次以水玻璃为原料，用电渗析法制得浓度较稀的硅溶胶。1941年Bird研究成功用离子交换法制得高浓度稳定的硅溶胶。其后硅溶胶的制备逐步工业化。

美国杜邦公司的Bechtold及Snyder采用与Bird相同的离子交换法，原料为水玻璃，制得30%（wt）SiO2的硅溶胶，其后该公司又有研究人员研究了硅溶的制备方法。孟山都公司的White等人研制成20%（wt）SiO2的硅溶胶，其时为1945年。日本日产化学工业株式会社在硅溶胶的制备研究及开发应用上也取得较多成果。美国纳尔柯公司、瑞典Eka Nobel公司等公司与上述三家公司同为世界上较重要的硅溶胶生产厂商。

指导思想：硅溶胶是一种较常见的无机精细化工产品，实质上为无定形SiO2粒子在水中的胶体大小的稳定分散体系。采用单质硅溶解法制备硅溶胶，不仅成本较低，产品纯度较高，而且稳定性好，是近年来兴起的一种制备硅溶胶的新工艺。为此我们根据硅溶胶的发展前景设计了此次试验，并对其进行分析及实验。此次试验首先确定好要以溶解法制备硅溶胶，再按催化剂的种类，含量，反应物的含量，反应时间，温度，风干条件，PH这七大方面进行分组实验并讨论。全面的验证了溶解法制硅溶胶的最佳条件。

实验意义：本实验主要通过对不同条件制备出的氧化硅溶胶凝胶图层的腐蚀性进行分析得出最佳的制备条件，从而了解溶胶凝胶的制作方法及原理，为以后的学习提供理论和实践基础，并在对这方面的发展打下坚实的基础。

实验目的：

1．掌握溶解法制备硅溶胶的原理和方法；

2．掌握用各种方法检测金属腐蚀的程度和和防腐蚀性能的测定；；

3．了解实验设计和实施的基本过程。

4．能根据实验的可行性全面分析出影响实验的因素，并能分工合作通过实验研

究各因素对该实验的影响。

实验方法

实验原理：

溶胶—凝胶法就使用含高化学活性组分的化合物作前躯体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解，缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥，烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。

胶体（colloid）是一种分散粒径很小的分散体系，分散相粒子的重力可以忽略，粒子之间的作用力主要是短程作用力。

溶胶（Sol）是具有液体特征的胶体体系，分散的粒子是固体或者大分子，分散的粒子大小在1~1000nm之间。

凝胶（Gel）是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连续的网状骨架，骨架空隙中充有液体或气体，凝胶中分散相的含量很低，一般在1%~3%之间。

溶胶-凝胶法的化学过程首先是将原料分散在溶剂中，然后经过水解反应生成活性单体，活性单体进行聚合，开始成为溶胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶，经过干燥和热处理制备出纳米粒子和所需要材料。

其最基本的反映是：

(l）水解反应：M(OR)n＋H2O—→ M (OH) x (OR) n－x ＋ xROH

(2) 聚合反应：－M－OH ＋ HO－M－→ －M－O－M－＋H2O

－M－OR ＋ HO－M－→ －M－O－M－＋ROH

溶胶－凝胶法与其它方法相比具有许多独特的优点：

（1）由于溶胶－凝胶法中所用的原料首先被分散到溶剂中而形成低粘度的溶液，因此，就可以在很短的时间内获得分子水平的均匀性，在形成凝胶时，反应物之间很可能是在分子水平上被均匀地混合。

（2）由于经过溶液反应步骤，那么就很容易均匀定量地掺入一些微量元素，实现分子水平上的均匀掺杂。

（3）与固相反应相比，化学反应将容易进行，而且仅需要较低的合成温度，一般认为溶胶一凝胶体系中组分的扩散在纳米范围内，而固相反应时组分扩散是在微米范围内，因此反应容易进行，温度较低。

（4）选择合适的条件可以制备各种新型材料。

金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子。其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和Ⅱ～Ⅵ族化合物的制备。

胶一凝胶法作为低温或温和条件下合成无机化合物或无机材料的重要方法，在软化学合成中占有重要地位。在制备玻璃、陶瓷、薄膜、纤维、复合材料等方面获得重要应用，更广泛用于制备纳米粒子。

溶胶一凝胶法也存在某些问题：首先是目前所使用的原料价格比较昂贵，有些原料为有机物，对健康有害；其次通常整个溶胶－凝胶过程所需时间较长，常需要几天或儿几周：第三是凝胶中存在大量微孔，在干燥过程中又将会逸出许多气体及有机物，并产生收缩。

硅溶胶的制备方法主要有：离子交换法、单质硅一步溶解法、电渗析法、酸中和法、胶溶法等。

单质硅一步溶解法采用的原料为单质工业纯硅，原料在催化剂的作用下，加热后单质硅直接溶解在软水介质中，可制得硅溶胶成品。该方法的优点是硅溶胶成品中杂质含量少，二氧化硅的胶粒粒形、粒径、粘度、pH值、密度、纯度均易控制，胶粒外形圆整均匀，结构致密，硅溶胶的稳定性较好。

硅溶胶是无定形二氧化硅胶体粒子在水或有机溶剂中的分散体系，分子式表示为mSiO2·nH2O。硅溶胶在科研及各工业领域的广泛应用与它的特点有着密切关系，从硅溶胶的性质出发可发现主要性状有：1)由于胶体粒子细微(10-20nm)，有相当大的比表面积，粒子本身五色透明，不影响被覆盖物的颜色；2)粘度较低，水能渗透的地方都能渗透，因此和其他物质混合时分散性和渗透性都非常好；3)

当硅溶胶水分蒸发时，胶体粒子牢固地附着在物体表面，粒子间形成硅氧结合；

4)附着在固体表面的二氧化硅粒子可增大摩擦系数，干燥或烧结可形成固态凝胶，因而具有一定的耐久性，既可形成具有比表面积大及均匀细孔的凝胶，又可均匀分散粉料，增加悬浮体的稳定性；5)通过Si—OH基和吸附水可提高润湿性和防止带电的性能；6)可浸入充填到多孔性物质中，使表面平滑；通过均匀混合微粒，可使有机树脂进行机械、光学及电性能方面的改性增强；7)溶胶为液状，能进行均相反应，以硅溶胶代替二氧化硅作原料进行反应，可提高反应速度。当然根据不同的制备工艺及不同反应条件所制得的硅溶胶性质上是有所差别的。

在催化剂作用下水解硅粉以进一步提高母核二氧化硅粒径的方法中, 硅粉发生

如式(2) 的反应过程:

Si + 3H2O→H2 SiO3 + H2 ↑ (2)

硅粉在催化剂作用下, 水解不断产生大量的硅酸分子, 这些硅酸分子一方面迅

速与母液中作为母核的二氧化硅颗粒进行如式(3) 的羟基缩合反应,从而母核二氧化硅粒径得到不断地增长:

nSiO2 + H2 SiO3→ ( n + 1) SiO2 + H2O (3)

另一方面, 这些硅酸分子之间发生新核的形成反应, 如式(4) :

mH2 SiO3 + nH2 SiO3 →( n + m) SiO2 + ( n + m) H2O (4)

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