硅溶胶

碱性硅溶胶

简介：碱性硅溶胶是由大小不等的二氧化硅粒子在水中未定存在的胶体溶液，其PH值在9~10的范围内，称之为碱性硅溶胶。其分子式为mSiO2.nH2O

物化数据：二氧化硅（SīO2）：含量% 15 ~ 40 氧化钠（NaO）：含量% 0.2 ~ 0.4 PH值：9 ~ 10 粘性（25℃）：mPaS 2 ~ 2.5 密度（25℃）：g/cm：1.1 ~ 1.3 平均粒径(nm) ：8 ~ 20

特点：因其胶体粒子直径为纳米级（10~20nm），所以具有较大的表面积，粒子本身无色透明，不影响被覆盖物的本色。粘度低，分散性和渗透性好。当硅溶胶水分蒸发时，胶体粒子可以牢固地附着在物体表面，粒子间形成硅氧键结合，是很好的粘合剂和添加剂。

特性：

1、较大的吸附性

2、较大的比表面积

3、粘结性

4、耐温性

5、高度的分散性

6、较好的亲水性和憎油性

溶胶中胶体粒子在一定条件下可相互连接，形成空间网状结构，结构空隙中充满了作为分散介质的液体，无论液体量多少，均将这种失去了流动性的分散体系称作凝胶。新鲜的凝胶叫湿凝胶，也称冻胶。当凝胶中液体全部失去也称为凝胶，是干凝胶，干凝胶的结构空隙里面充满的是气体。凝胶结构空隙中充满的液体为水时称作水凝胶。

凝胶有一定的几何外形，具有固体的力学性质，如有强度、弹性和屈服值等。

但从内部结构看，它不同于通常的固体，它由固－液两相组成，也具有液体的某些性质，例如离子在新鲜的水凝胶中的扩散速度接近于在水溶液中的扩散速度。这说明新鲜的水凝胶中，分散相和分散介质都是连续相，这是凝胶的结构特征。

毛细现象：连续的分散相构成了凝胶的固体骨架，连续的分散介质形成了凝胶的流体部分，构成胶体的颗粒尺寸使得凝胶具有毛细管的微观结构。毛细现象是指液体在细管状物体内侧，由于液体和管壁之间的附着力与液体本身内聚力的差异、在垂直细管内上升或下降的现象，而这两种力之间的作用就是毛细管力的作用。新鲜凝胶的毛细管结构中充满了液体分散介质，随着凝胶干燥的进行，凝胶将从液固两相转变为液固气三相，最终液相将全部被气相取代，成为干凝胶。可见型壳具有透气性是由凝胶的毛细管微观结构决定的；同时可见干燥过程是凝胶形成过程中的一个非常关键和重要的环节，和凝胶干燥速度相关的因素都会最终影响凝胶毛细管的微观结构。

溶胶胶凝：一定浓度的溶胶在合适的条件下形成凝胶的过程称为胶凝。硅溶胶胶凝过程中，干燥前期胶粒以氢键形成毛细管网络结构，干燥后期羟基脱水使氢键不断地形成硅氧共价键，胶粒三维增长，但因各个方向上的交联速度不同，交联密度会有所不同，最终形成非均相的，具有复杂微区的，树状高分子结构的凝胶。

硅溶胶的结构和性能：

硅溶胶是典型的胶体溶液，它具有光散射效应、丁达尔效应和电泳现象。

1，硅溶胶粒子模型

硅溶胶胶颗粒为球形，直径为6～100nm。对硅溶胶中球形二氧化硅微观结构曾有各种不同模型描述，图A为二维示意图，图B是将料子内部的无定形二氧化硅表示为（SiO4）四面体的投影图。球形结构内部是由（SiO4）四面体组成的不

规则三维网络结构，粒子表面为硅醇（-Si-OH）所覆盖。内部不含有未缩合羟基OH的致密二氧化硅粒子的优质硅溶胶，现已查明只有高温下，一般是在80～100℃以上形成的粒子内部才是致密的，此种溶胶所得凝胶的密度近于石英玻璃,约为2.2g/cm3左右，但在60℃以下形成的粒子内部就往往不那么致密，常含有未完全缩合的羟基，这种硅溶胶粘度较大，稳定性也差。

由于硅溶胶粒子表面被硅醇所覆盖，可利用硅醇的化学性质对粒子表面进行改性处理，生产多种改性硅溶胶。

2，硅溶胶粒子表面的离子电荷

硅溶胶粒子表面为硅醇，当介质为水时，水分子则借助氢键作用面连结于粒子表面的硅醇上，形成水化层。这层水为化学吸附水，需加热至200℃才能大部去除，全部去除需加热到700℃。现在一般碱性硅溶胶介质为碱性，粒子表面的硅醇选择吸附了介质中的OHˉ而使表面带负电，所以在电场中，这种硅溶胶向正能方向移动。粒子表面所带负荷的密度和PH值有关，与粒子大小无关。

3，硅溶胶粒子表面的变电层结构

硅溶胶粒子表面因吸附OHˉ而带负电，它势必吸附在其周围介质中的反离子，如Na+等阳离子。从而使表面上吸附的离子与溶液中的反离子构成双电层。反离子一方面受粒子表面离子的吸引，力图反它们拉向粒子表面，另一方面反离子本身的热运动，又使它们离开表面扩散到溶液中到，两者作用的结果，使靠近表面的反离子浓度较大，随着与表面距离的增大，反离子由多到少，成扩散状态分布，最后与周围介质电荷密度相等，见图A，紧贴粒子周围的反离子被粒子吸附牢固，常与粒子一起运动，用过滤、离心等方法均难以去除，此层称为固定层即吸附层，厚度为δ。吸附层以外的称扩散层，该层不随粒子运动。粒子在介质中运动的滑移面则在距离子表面为δ处的球面上。

图A的右下图是用波茨曼（Bolizmann）分布处理计算出扩散双电层中距固体表面不同距离的电位。可知在固相粒子表面处有最大电位值，即固相粒子与液固介质间的总电位?。随着距离变化，电位大致呈指数规律下降。滑动面与介质的电位为ζ，可由电泳或电渗等动电方法求得，故常称为动电位或ζ电位。一般常用硅溶胶ζ电位大约在100mv左右。

4，硅溶胶的稳定

硅溶胶的稳定性应从热力学和动力学两个方面来讨论，首先，硅溶胶中含有大量微小相互离散的二氧化硅的固相粒子，粒子与介质间具有极大的表面积，因而有很大的表面能。从而热力能减小。

然而，从动力学角度来看，根据DLVO（Derjaguin,Landau,Verwey,Overbeek）理论，溶胶在一定条件下是稳定还是凝聚，取决于粒子间两种主要作用力，即粒子间的范德华（Vam der waals）引力和粒子间的静暇斥力。这两种都可来表示成为位能函数，即它们都是断章取粒子间距离的函数（图A所示）。引力位能V A与距离r的六次方成反比，而斥力位能VR随距离成指数函数下降（ae-6）。斥力作用在双电层外就不存在了。

粒子间综合作用的总位能VT与距离的关系由V A 和VR两条曲线加合而得。VT在距离粒子表面B处出现能峰Eb。此峰值常称排斥"势垒"，粒子间要发生碰撞必须越过势垒Eb。

在一般情况下，溶胶中粒子的布朗运动能不足以翻越能峰，因此从动力学角度硅溶胶是稳定的，故可能长时间保持稳定。

电解质对硅溶胶的稳定性有很大影响，图B所示是不同电解质浓度的斥力和斥力位能与距离的关系曲线，当电解质浓度小时，在很大距离内有斥力，能峰Eb 极大，但电解质浓度大时，拥散双电层减薄，ζ电位降低，斥力下降，能峰Eb