硅溶胶的制备方法简述

硅溶胶的制备方法简述

目前，硅溶胶的制备主要有两种方法，即凝聚法和分散法。利用在溶液中的化学反应首先生成SiO2超微粒子，然后通过成核、生长，制得SiO2溶胶的方法为凝聚法；利用机械分散将SiO2微粒在一定条件下分散于水中制得SiO2溶胶的方法，即分散法。根据使用原料及工艺的不同，上述两种方法可细分成下面多种常见的制备方法。

1.离子交换法

用离子交换法制备硅溶胶的历史较长，1941年首先由美国人Bird发明，其后发展迅速，到目前为止该项技术被国内外大多数硅溶胶生产企业所采用。该方法通常可分为3个步骤：活性硅酸制备，胶粒增长和稀硅溶胶浓缩。

首先，将稀释后的一定浓度的水玻璃依次通过强酸型阳离子交换树脂和阴离子交换树脂，分别除去水玻璃中的钠离子及其它阳离子和阴离子杂质，制得高纯度活性硅酸溶液。此溶液在酸性条件下不稳定，可用适当的NaOH或氨水调节其PH为8.5-10.5，以提高稳定性。在此步骤中使用的离子交换树脂应尽快再生。避免残余的硅酸形成凝胶，使交换柱失效。然后，将上述硅酸溶液加入到含晶种的母液中，通过控制加入速度和反应温度，使硅溶胶胶粒增长到所需粒径即可。最后将完成结晶聚合过程的聚硅酸溶液进行加热蒸发浓缩，或超滤浓缩，以得到合适浓度的产品。如果要进一步进行纯化，可采用离心分离法除去其中杂质，制得高纯硅溶胶。

可见，此方法本身具有不可克服的缺点：一是起始原料水玻璃受离子

交换的限制其浓度不能太高，这就致使第3部中的浓缩过程较长，能耗大，不利于能源的节约；二是离子交换树脂再生时会产生大量废水，对水的浪费较大且废水处理需要一定的成本；三是该法工艺程序多，生产周期长，反应过程中影响产品性能的因素众多以至较难控制。

2.直接酸中和法

一般采用稀水玻璃作为起始原料，经过离子交换出去钠离子，然后通过制备晶核，直接酸化反应，晶粒长大等步骤可制得硅溶胶。

(1) 离子交换除去钠离子：用离子交换树脂除去原料中的钠离子，制得SiO2/Na2O重量比较大的稀溶胶，稀溶胶中钠离子含量已较低。(2)制备晶核：将上步骤制得的稀溶胶加热并停置一段时间，在稀溶胶中逐步形成数毫微米大小的晶核，与离子交换法中的离子增长反应步骤相似。

(3)直接酸化反应：将稀水玻璃原料及酸化剂（如稀硫酸）持续加入到前述制得的含晶核的稀溶液中，加入过程应注意控制混合液中钠离子的浓度、混合液加热温度、PH值、加入时间等条件。

(4)晶粒长大：上述混合液在控制适当条件下，进行晶粒长大过程，持续长大过程之后，即可制得硅溶胶成晶。

3.电解电渗析法

这是一种电化学方法。在电解电渗析槽中加入电解质，调节电解质溶液的PH值，控制电解电渗析反应的电流密度、温度等反应条件，在制备有合适的电极（如析氢电极、氧阴极）的电解电渗析槽中反应后可制取硅溶胶成品。

电解质的加入使胶粒增长为非自发过程。随着钠离子的迁移，单硅酸不断生成。由于是在一定温度下操作，故升温过程中会发生单硅酸

H4SiO4的聚和反应，使小粒子的粒径得以长大[13]。以这些小粒子作为成核剂，在电解电渗析过程中，生成的单硅酸会附着在这些小粒子上，与胶粒表面的硅羟基发生聚合，使胶粒的粒径得以增长。

4.分散法

该法是利用机械将SiO2微粒分散在水中制备硅溶胶的物理方法。具体步骤如下：称取定量的去离子水加入到干燥纯净的塑料杯中，将其固定于高速分散机上。开动高速分散机，将定量的气相SiO2粉末连续加到杯中，杯上盖塑料膜，以防止水分蒸发和SiO2粉末飞扬。SiO2粉末加完后，补加定量的去离子水，调节高速分散速度，保持1.5h，制得水分散液。将水分散液陈化过夜后，高速分散2h，加入添加剂溶液，继续高速分散2h，用300目滤网过滤后得到性能良好的硅溶胶。

5.胀溶法

先用酸中和水玻璃溶液形成凝胶，所得凝胶经过滤，水系，然后加稀碱溶液，在加压加热条件下解胶即得溶胶。具体方法如下：

(1)制备凝胶：在酸性条件下，将酸性试剂（如硫酸）与原料水玻璃反应，常温下静置数小时，水玻璃在酸性试剂的作用下产生凝胶，凝胶可与溶液分离。该步骤也可在碱性条件进行。

(2)加入溶解液：将凝胶与适量的溶解液混合。溶解液可用碱性溶液及脱盐水配制而成，溶解液的碱性有利于凝胶溶解。

(3)溶胶过程：将加入凝胶的溶解液置于高压釜中加热。高压釜中产

生较高内压，釜内混合液中的凝胶逐渐溶解，数小时后可制得硅溶胶产品。

该制法得到的硅溶胶粒径分布较宽，纯度较低。

6.单质硅水解法

用无机或有机碱做催化剂，以单质硅与纯水反应来制备硅溶胶。其原理是硅粉在碱的催化作用下与水反应，生成水合硅酸，水合硅酸在碱性水介质条件下逐渐聚合，形成水合硅酸水溶液，即硅溶胶。

单质硅水解法制备的硅溶胶杂质含量少，稳定性高，二氧化硅的胶粒粒形、粒径、PH值、密度等易控制，减少设备投资，缩短生产周期，减少废水排放。并且用该法制备硅溶胶即使冻结也不胶化，避免了形成固体的聚硅酸，解决了硅溶胶在寒冷地区的冻结问题。作为一种新型的制备硅溶胶的方法，单质硅水解法被越来越多的企业所采用。

“单质硅水解法”与“离子交换法”两种工艺相比较，所生产的硅溶胶有显著的质量差异：

1、胶粒结构不同：“离子交换法”的造粒过程实际上是由置换后生成的小粒子聚集到晶核上生成相应大粒子的过程；而“单质硅一步溶解法”的造粒过程是硅与水反应生成的一个个新生态二氧化硅单个分子自由结合成胶粒，然后新生分子继续聚集到这些胶粒上，胶粒逐渐增长到所需大小尺寸的过程。显然，单质硅水解法得到硅溶胶胶粒会更致密、更均匀。

2、杂质含量不同：水玻璃中含有大量杂质，这些杂质既无法在水玻璃精制工序中完全除去，也无法在离子交换平衡过程中除尽，所以用该工艺制得的硅溶

胶产品不可避免地会含有大量不明杂质，而“单质硅一步溶解法”是由纯硅粉和去离子水反应直接生成硅溶胶，催化剂氢氧化钠等则转化成稳定剂氧化钠等，整个过程无任何杂质带入，所以得到的硅溶胶成品杂质离子极少。