SilicaSol硅溶膠是二氧化硅膠體微粒在水中均勻擴(kuò)散形成的膠體溶液，具有許多優(yōu)良性質(zhì)和特點(diǎn)，作為一種精細(xì)化工產(chǎn)品，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于化工、材料、紡織、造紙、電子等工業(yè)。早在1915年，Schwerin首次以水玻璃為原料，采用電滲析法制備出含二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.4%的硅溶膠，只是濃度太低，并沒(méi)啥實(shí)際應(yīng)用意義，1941年Bird利用離子交換法制得高濃度的硅溶膠，其后硅溶膠才得以大規(guī)模的生產(chǎn)和應(yīng)用。本文將對(duì)“硅溶膠”的制備工藝及應(yīng)用范疇做簡(jiǎn)單整理。

不同濃度的硅溶膠

簡(jiǎn)單了解一下硅溶膠

硅溶膠外觀為乳白色半透明的膠體溶液，多呈穩(wěn)定的堿性，少數(shù)呈酸性，硅溶膠中SiO₂的濃度一般為10%~35%，濃度高時(shí)可達(dá)50%。硅溶膠粒子比表面積為50~400m²g，粒徑范圍一般在5~100nm，處于納米尺度，與一般粒徑為0.1~10um的乳液相比，其顆粒要小得多，分子式可表示為mSiO₂.H₂O，硅溶膠的膠團(tuán)結(jié)構(gòu)用以下化學(xué)式表示。

二氧化硅膠團(tuán)結(jié)構(gòu)

硅溶膠是具有膠體特性、質(zhì)點(diǎn)近似球體、帶負(fù)電的溶膠，ζ電位、布朗運(yùn)動(dòng)及足夠的溶劑阻隔三大因素賦予其聚結(jié)穩(wěn)定性和動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性，膠粒為介穩(wěn)相，始終存在自發(fā)聚結(jié)的傾向。三大穩(wěn)定因素只要有一種被削弱，它就會(huì)自動(dòng)聚結(jié)，產(chǎn)生凝膠或聚沉。硅溶膠粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為硅氧烷鍵(-Si-O-Si-)，表面層由許多硅氧醇基(-SiOH)和羥基(-OH)所覆蓋，它們同膠體溶液中存在的堿金屬離子一起形成擴(kuò)散雙電層，粒子間的靜電作用對(duì)膠體溶液的穩(wěn)定起重要作用。

硅溶膠中二氧化硅的粒子大小是一重要質(zhì)量指標(biāo)，它對(duì)溶膠的許多性能都有重要影響。首先，粒子大小影響硅溶膠的穩(wěn)定性，在等量穩(wěn)定劑條件下，粒子間的斥力位能跟粒子直徑成正比，所以粒子越大穩(wěn)定性越好，粒子越小膠凝越快。因此，為制造高濃度和性能穩(wěn)定的硅溶膠，應(yīng)設(shè)法使粒子尺寸足夠大。通常粒徑大于20nm，濃度高于40％的硅溶膠通常被稱(chēng)作大粒徑高濃度硅溶膠。

應(yīng)用在催化劑載體和高耐火度要求的行業(yè)，所需要的硅溶膠濃度要達(dá)到40％左右，通過(guò)再濃縮法得到硅溶膠所能達(dá)到的最高濃度與其溶膠顆粒自身粒徑大小有關(guān)，由于小的粒子穩(wěn)定性較差，所以粒徑小于15nm的普通硅溶膠產(chǎn)品濃度一般只能達(dá)到30％，而粒徑大于20nm的硅溶膠產(chǎn)品濃度則可以達(dá)到40％甚至50％以上。

硅溶膠制備方法

自硅溶膠問(wèn)世以來(lái)，對(duì)其制備方法的研究非常活躍。就原理而言，硅溶膠有2種制備方法：①利用溶液中化學(xué)反應(yīng)生成的SiO₂超微粒生長(zhǎng)、成核，制得硅溶膠的方法為凝聚法；②利用機(jī)械將SiO₂微粒在一定條件下分散于水中制得硅溶膠的方法為分散法。就工藝而言，可分為硅溶解法、離子交換法、膠溶法、分散法等。

1、硅溶解法。采用無(wú)機(jī)或有機(jī)堿作催化劑，以單質(zhì)硅與純水反應(yīng)來(lái)制備硅溶膠的方法稱(chēng)為硅溶解法。

工藝流程圖及反應(yīng)方程式

工藝簡(jiǎn)析：硅粉在堿的催化作用下，與水反應(yīng)，生成水合硅酸，水合硅酸在水介質(zhì)中逐漸聚合，由單體自行脫水漸漸聚合成二元體、三元體乃至多元體，即成為水合硅酸的水溶液，就是硅溶膠。工藝過(guò)程中的硅粉的活化主要是為了除去硅粉表面形成的惰性膜，較好的方法是先用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48%的氫氟酸洗滌，然后依次用純水、醇、醚沖洗，最后在氮?dú)獗Ｗo(hù)下干燥。

該法的優(yōu)點(diǎn)是硅溶膠成品中雜質(zhì)含量少，二氧化硅的膠粒粒形、粒徑、黏度、pH值、密度、純度等易控制，膠粒外形圓整均勻，結(jié)構(gòu)致密，硅溶膠的穩(wěn)定性較好。

2、離子交換法。離子交換法又稱(chēng)粒子增長(zhǎng)法，用水玻璃為原料。一般步驟為：陽(yáng)離子交換反應(yīng)制備活性硅酸溶液→調(diào)節(jié)活性硅酸溶液pH值→陳化制備晶種→向含晶種的母液中添加活性硅酸溶液促使晶種生長(zhǎng)→最后純化濃縮制備得硅溶膠產(chǎn)品。

每個(gè)步驟對(duì)最終硅溶膠產(chǎn)品均有直接的影響。制備均勻性良好的晶種是制得優(yōu)質(zhì)硅溶膠的基礎(chǔ)，晶種生長(zhǎng)階段要嚴(yán)格控制硅酸溶液加入量使體系中硅酸濃度始終處于最低成核濃度和飽和濃度之間，防止產(chǎn)生新的晶核，實(shí)現(xiàn)單純的粒徑增長(zhǎng)。

3、電解電滲析法。電解電滲析法制備硅溶膠是一種電化學(xué)方法。在電解電滲析槽中加入電解質(zhì)，調(diào)節(jié)電解質(zhì)溶液的pH值，控制電解電滲析反應(yīng)的電流密度、溫度等反應(yīng)條件，在裝備有合適的電極(如析氫電極、氧陰極)的電解電滲析槽中反應(yīng)后可制取硅溶膠成品。該法制備硅溶膠的操作條件可控制，便于優(yōu)化硅溶膠成品的質(zhì)量，是有開(kāi)發(fā)價(jià)值的電化學(xué)方法。

4、膠溶法。膠溶法制備硅溶膠是先用酸中和水玻璃溶液形成凝膠，所得凝膠經(jīng)過(guò)濾，水洗，然后加稀堿溶液，在加壓加熱條件下解膠即得溶膠。該法制得的硅溶膠粒徑分布較寬，純度較低。

5、酸中和法。酸中和法一般采用稀水玻璃(Na₂O.xSiO₂)作為起始原料，稀硫酸等無(wú)機(jī)酸作為酸化劑。根據(jù)酸用量的不同，可制備酸性或堿性硅溶膠。具體工藝步驟包括離子交換去除鈉離子、制備晶核、酸中和反應(yīng)、晶粒增長(zhǎng)。酸中和法制得的硅溶膠一般雜質(zhì)離子含量較高，穩(wěn)定性較差。

6、分散法。分散法是利用機(jī)械方法將二氧化硅微粒分散在溶劑中制備硅溶膠的物理方法。有報(bào)道“利用合適的分散工藝和添加劑，可將氣相二氧化硅粉末分散在水溶液中制得穩(wěn)定時(shí)間高達(dá)1年，黏度低達(dá)1mPa·s的高性能硅溶膠。”

硅溶膠的基本特性及應(yīng)用

性質(zhì)決定用途，先來(lái)瞅瞅硅溶膠的特性：①具有較大的吸附性，硅溶膠中無(wú)數(shù)膠團(tuán)產(chǎn)生的無(wú)數(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)空隙，在一定條件下能夠?qū)o(wú)機(jī)物及有機(jī)物具有一定的吸附作用；②具有較大的比表面積；③硅溶膠具有較好的粘結(jié)性，自身風(fēng)干即產(chǎn)生一定的粘結(jié)強(qiáng)度，但強(qiáng)度較小，如果將硅溶膠加入到某種纖維或粒狀材料中，然后干燥固化即可成為堅(jiān)固的凝膠結(jié)構(gòu)，會(huì)產(chǎn)生較大的粘結(jié)性；④ 良好的耐溫性；⑤硅溶膠具有高度的分散性、較好的耐磨性和良好的透光性等，因此可以做良好的分散劑、防腐劑、絮凝劑、冷卻劑等等。下面對(duì)硅溶膠部分經(jīng)典應(yīng)用簡(jiǎn)單整理。

1、催化劑載體。硅溶膠具有較大的比表面積，制得的硅膠粒子均勻，孔徑和分布容易控制，是制備催化劑載體的最佳原料。氧化硅是第二大的催載體原料（一哥是氧化鋁）。

案例：美國(guó)Sohio化學(xué)公司氨氧化法制備丙烯腈所用的催化劑C41，就是將催化劑活性組分與硅溶膠混合，經(jīng)噴霧干燥后制得的，其活性分布均勻，能使丙烯腈產(chǎn)率提高30%~40%。

2、半導(dǎo)體基片拋光。20世紀(jì)60年代以前，半導(dǎo)體基片拋光還大都沿用微米級(jí)磨料機(jī)械拋光，得到的機(jī)械拋光表面存在嚴(yán)重?fù)p傷。1965年Walsh和Herzog提出SiO₂溶膠和凝膠拋光后，以SiO₂漿料為代表的化學(xué)機(jī)械拋光工藝就逐漸代替了以上舊方法。

而二氧化硅水溶膠則是目前最具代表性的CMP用拋光漿料研磨微粒。目前主要采用分散法，即將納米SiO₂粉末利用機(jī)械手段分散于水溶液中以獲得SiO₂CMP漿料。研究證明，在相同的拋光條件下，磨料的顆粒大小、形狀和單分散性等是影響拋光表面質(zhì)量的重要因素。目前，在硅晶片化學(xué)機(jī)械拋光中普遍使用粒徑50～80nm左右的球形二氧化硅磨料。將粒子的硅溶膠做單晶硅拋光劑，不僅效果好，而且拋光速度快。

3、紡織工業(yè)。可以用做徑紡上漿助劑，減少斷頭率；在織物染色中使用，因具有粘結(jié)性，可以形成優(yōu)良的保護(hù)液，增加染色的附著力等等。

案例：硅溶膠與油劑并用，對(duì)羊毛進(jìn)行噴霧或浸漬處理，改善了羊毛的可紡性，減少了斷頭，防止了飛花，提高了成品率。

4、造紙工業(yè)。作為感光紙的處理劑，玻璃紙的防粘劑，其他辦公用紙經(jīng)處理后，可以提高打印效果，使顯色更加鮮明。

案例：把粉碎過(guò)的金屬硅粉直接與加熱到一定溫度的硅酸鈉或硅酸鉀反應(yīng)制備出的高濃度、低粘度硅溶膠施于包裝水泥的牛皮紙或紙板的表面，可以防止其堆集時(shí)的滑落，并可改善紙品的耐濕性和強(qiáng)度；玻璃紙的缺點(diǎn)之一是溫度升高時(shí)發(fā)粘，如果用硅溶膠和甘油、單硬脂肪酸等組成的蠟狀物質(zhì)處理，則可克服這個(gè)缺點(diǎn)。

5、陶瓷纖維高溫粘接劑。把硅酸鋁纖維粘用硅溶膠浸漬，加促凝劑，做成溫粘，用做保溫絕熱材料；做高溫爐的耐火磚的表面粘結(jié)劑，粘結(jié)強(qiáng)度高，耐高溫（1000℃以上），節(jié)約能源，對(duì)爐子改造即節(jié)約，又方便。

6、泡沫橡膠增強(qiáng)。在干橡膠中加入5%的硅溶膠，就可以使多孔泡沫橡膠增強(qiáng)20%，對(duì)一定體積的橡膠而言，因?yàn)閺椥蕴岣撸梢怨?jié)省20%的橡膠。

7、用在固體蓄電池的電解液。普通鉛酸蓄電池使用壽命短，使用硅溶膠可以配置成固體蓄電池的電解液，就大大提高了蓄電池的使用壽命；同時(shí)，普通電解液硫酸，在機(jī)動(dòng)車(chē)急轉(zhuǎn)彎時(shí)容易溢出，但固體蓄電池電解液的使用就很好的解決了這個(gè)問(wèn)題，有效的防止了硫酸的滲漏和溢出，避免了污染環(huán)境。

8、應(yīng)用于精密鑄造業(yè)。陶瓷薄殼型（熔模）精密鑄造法，就是由于使用了硅溶膠才發(fā)展起來(lái)的。用硅溶膠代替硅酸酯可降低成本，改善操作條件。用小粒子直徑硅溶膠制造的薄殼強(qiáng)度大、光潔度好，可大大提高鑄件質(zhì)量和尺寸的精密度。

更多其他應(yīng)用。硅溶膠可以作為啤酒、蘋(píng)果汁、葡萄酒、米酒、醬油的澄清劑，不影響色、香、味，對(duì)人體無(wú)毒害；用硅溶膠處理的裝潢物品，可使其抗污染性提高二倍，可見(jiàn)硅溶膠也是壁布表面的有效防污劑；用硅溶膠制取的防滑地板蠟，在工業(yè)和民用中已負(fù)盛名，細(xì)小的二氧化硅粒子粘附在地板表面的蠟?zāi)ど希阑Ч茫也挥绊懝鉂扇岷汀９枞苣z能夠使涂料牢固，具有耐水，耐火，耐污，耐高溫，涂膜硬度大，色澤鮮艷，不褪色等優(yōu)點(diǎn).還可以應(yīng)用于耐酸，耐堿，防火涂料和遠(yuǎn)紅外線輻射涂料。

參考資料：

1、硅溶膠的性質(zhì)、制法及應(yīng)用；殷馨，華東理工大學(xué)；戴媛靜，深圳清華大學(xué)研究院。

2、硅溶膠的性質(zhì)、制備和應(yīng)用；田華，陳連喜，劉全文，武漢理工大學(xué)理學(xué)院。

3、硅溶膠的研究進(jìn)展及應(yīng)用，段曉娜，孫羊羊，張海紅，尚會(huì)建，鄭學(xué)明，河北科技大學(xué)化學(xué)與制藥工程學(xué)院；尚會(huì)建，天津大學(xué)化工學(xué)院。

備注

無(wú)機(jī)高分子：又稱(chēng)為無(wú)機(jī)聚合物，一般無(wú)機(jī)聚合物定義為：主鏈由非碳原子共價(jià)鍵結(jié)合而成的巨大分子。無(wú)機(jī)聚合物是由非碳原子（N、P、O、S等雜原子）組成的大分子物質(zhì)，原子間主要以共價(jià)健相結(jié)合，形成與有機(jī)聚合物中的碳鏈相類(lèi)似的雜原子主鏈。

溶膠與凝膠的區(qū)別：溶膠，又稱(chēng)膠體溶液，指在液體介質(zhì)中分散了1-100nm的粒子，且在分散體系中保持固體物質(zhì)不沉淀的膠體體系。凝膠，當(dāng)溶膠失去流動(dòng)性后，一種富含液體的半固態(tài)物質(zhì)，其中液體的含量可高達(dá)99.5%，固體粒子則呈連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)體。

化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)：機(jī)械削磨和化學(xué)腐蝕相結(jié)合的技術(shù)，它借助超微粒子的研磨作用及漿料的化學(xué)腐蝕作用，在被研磨的介質(zhì)表面如單晶硅片(wafer)、集成電路(IC)氧化物薄膜、金屬薄膜等上形成光潔平坦平面，現(xiàn)已成為半導(dǎo)體加工行業(yè)的主導(dǎo)技術(shù)。

粉體圈 作者Alpha