硅溶胶的物理与化学性质上课讲义

硅溶胶的物理与化学

性质

硅溶胶的物理与化学性质硅溶胶是二氧化硅胶体微粒在水中均匀扩散形成的胶体溶液，又叫做硅酸溶液，或二氧化硅水溶液，是一种用途广泛的新型化工原料。硅溶胶的外观为乳白色半透明的胶体溶液，多成稳定的碱性，少数呈酸性。硅溶胶中SiO2的浓度一般为10%~35%，浓度高时可达50%。硅溶胶粒子比表面积为

50~400m2/g，粒径范围一般在5~100nm，即处于纳米尺度，与一般晶粒为

0.1~10μm的乳液相比，其颗粒要小得多。

硅溶胶的胶团结构用以下化学式表示：

式中：m，n很大，而且m<

可以认为硅溶胶的胶核与硅酸钠结构基本相同，它是由m个SiO2分子聚合而成。在硅酸胶体溶液中H2SiO3是一种弱电解质，在水中能部分离解为H+和SiO2-3：H2SiO32H++SiO2-3，这些SiO2-3被吸附在胶核周围，形成带负电的内吸附层，使胶粒带负电，因而它必然会吸引存在于周围介质中的反离子，如H+、Na+等正离子，构成双电层。这些反离子在受到粒子表面离子吸引的同时，又由于离子本身的热运动而使其中部分离子离开表面而向溶液外层扩散；而靠近粒子表面的反离子浓度较大，随着与表面距离的增加，反离子的浓度减少，形成扩散层。由于胶体粒子表面所带负电荷与扩散层中所带正电荷总数相等，最后整个体系呈中性。（硅溶胶涂料及其表面涂层的质量控制）硅溶胶是具有胶体特性、质点近似球体、带负电的溶胶。ζ电位、布朗运动及足够的溶剂阻隔三大因素赋予其聚结稳定性和动力学稳定性。然而，胶粒为介稳相，始终存在自发聚结的倾向。三大稳定因素只要有一种被削弱，它就会自动聚结，产生凝胶或聚沉。当硅溶胶凝聚成凝胶后，不可能再用加热或加溶剂的方法使之重新成为溶胶，因此是一种不可逆的胶体。

一般来说，比表面愈大，表面能也愈大。硅溶胶体系是表面能很大的不稳定体系，它有自动减少表面能的趋势，很容易由小粒子自发聚集成大颗粒，甚至形成凝胶。影响硅溶胶稳定性的因素很多，如电解质、温度、浓度、PH及粒径等。

1、硅溶胶的性质：

（1）物理性质：

硅溶胶属于胶体溶液，无臭、无毒。因为硅溶胶中的二氧化硅含有大量

的水及羟基，因此硅溶胶的表达式为SiO2·nH2O。硅溶胶没有什么毒

性，可以普遍的应用于有人的地方。因为硅溶胶的胶体粒子非常的小，

有着相当大的表面积。另外，它没有什么味道，不会被人轻易的发现。

胶体粒子是无色透明的，因此不会影响覆盖物的本色。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。

（2）化学性质：

当加热到110℃时，硅溶胶中的自由水已经完全失去，当加热到140~220℃时，硅溶胶脱附物理吸附水。当温度升高到400~700℃时，硅溶胶中二氧化硅粒子表面硅醇间缩聚失水，即脱出化学吸附水。此时，硅溶胶中的SiO2粒子并未发生变化。在SiO2玻璃化温度（800℃）时，SiO2粒子发生表面融熔粘连，机械强度发生变化。在1200℃时，晶体开始出现。1200℃时达到SiO2的结晶化温度。

硅溶胶当中存在着许多的二氧化硅，因此，不能应用于那些能与二氧化

硅反应的地方，如它能与氢氧化钙发生反应，产生硅酸钙，从而使产品

变质。因此在存储的时候要有所注意，不能存储在那些能与二氧化硅发

生反应的材料中。当硅溶胶水分子被蒸发后，胶体粒子能牢固的附着在

物体表面，粒子间形成硅氧结合，是很好的粘合剂。由于硅溶胶具有较

均匀的粒径范围、较大的比表面积和较丰富的表面硅醇羟基，因此表现

出很高的化学活性。硅溶胶的胶粒之间可以相互作用发生脱水缩合成网

状，也可以与有些物体表面作用变成无机硅膜，因而在许多工业领域得

到应用。

2、硅溶胶的特点及性能：

（1）硅溶胶具有较大的吸附性：硅溶胶中无数胶粒团聚产生的无数网络结构孔隙，在一定的条件下能对无机物及有机物产生一定的吸附作用。

（2）硅溶胶具有较好的粘结性：自身风干即产生一定的粘结强度，但强度较小，如将硅溶胶加入到某种纤维或粒状材料中，然后干燥固化即可成坚

硬的膜，不仅成膜温度较低，而且一旦成膜就不会再溶解在水中和变

质，会产生较大的粘结性（一般46.7kg/cm2）。

（3）硅溶胶具有良好的耐温性：一般可耐1600℃左右。

（4）硅溶胶具有较好的亲水性和憎油性：可以用蒸馏水稀释至任意浓度，而且随稀释度的增加，稳定性增强，但加入有机物或多种金属粒子中，又

可产生憎水性。硅溶胶具有较强的憎油性。此外，硅溶胶具有高度的分

散性，较好的耐磨性和良好的透光性等。因此，可作为良好的分散剂，

防腐剂，冷却剂和特殊的光学材料等。

（5）硅溶胶在很大的PH范围内是稳定的，在特定的条件下，单独能形成连续的粘附的硬薄膜（如1μm）。在使用中受PH值的影响较小。

（6）硅溶胶粒子表面的硅醇羟基和吸附水可提高润湿性，通过金属离子取代硅溶胶中的部分硅原子，可控制硅溶胶的带电性。

（7）硅溶胶具有优良的反应性,并能在均相进行，通过与有机树脂的均匀混合，可改进其机械、光学及电性能。

3、硅溶胶的应用：

硅溶胶具有许多优良的性质和特点，作为一种精细化工产品，被广泛应用于精密铸造、纺织、造纸、涂料、抗静电剂和催化剂等领域。

（1）应用于精密铸造业：代替硅酸乙脂使用，无毒性；不仅可以降低成本，用于制作零件，尺寸精确度高，铸件光洁度好，可使壳型强度大，造型

比使用水玻璃质量好；用于铸模的耐高温涂料，可以使涂层具有较好的

耐热性，减少高温下熔融金属与模具的损耗，并有助于脱模。

（2）应用于涂料行业，能够使涂料牢固，具有耐水、耐火、耐污、耐高温、涂膜强度大、色泽艳丽、不褪色等优点。还可以应用于耐酸、耐碱、防

火涂料和远红外线辐射涂料。

（3）应用于耐火材料的粘结剂：具有粘结强度高、耐高温（1500~1600℃）等优点。

（4）应用于纺织业：可以用做纺织上浆助剂，减少断头率；在织物染色中使用，因具有粘结性，可以形成优良的保护液，增加染色的附着力等等。

（5）应用于造纸业：作为感光纸的处理剂、玻璃纸的防粘剂，其他办公纸经过处理后，可以提高打印效果，使显色更加鲜明。

（6）应用于催化剂：在催化剂的生产中，在一定的条件下，作为载体来加速催化速度，以提高生产效率。

（7）石油方面的应用：在芳烃类生产中以硅胶单体为催化剂，为提高芳烃回收率开辟了一个新的途径，在石油工业中，用硅溶胶做粘结剂和催化

剂。

（8）蓄电池中的应用：铅酸蓄电池的电解液硫酸，在机动车急转弯时容易溢出，向硫酸中加入一定量的硅溶胶，使其胶化，可防止硫酸的浸溅和溢

出，并且能够延长电瓶的使用寿命。