硅溶膠(silicasol)是納米SiO₂（二氧化硅）粒子分散在水（或有機溶劑）中形成的膠體分散液，又名硅酸溶液。硅溶膠為無色或乳白色透明液體，是一種性能優良的納米材料，無定形二氧化硅顆粒在水或有機溶劑中均勻分散形成膠體溶液，內部結構是由無數膠團共同形成網絡結構，因此具有大的比表面積、高吸附性，其特殊的高分散度、高耐火絕熱性等優良的性能被廣泛應用在精密鑄造業，紡織業，催化工業，造紙和涂料工業。

透明狀硅溶膠

最初的硅溶膠，是1915年Schwerin首次用電滲析法制備出 w（SiO2）= 2.4%（相對于硅溶膠質量而言）的硅溶膠，但濃度太低，難以滿足實際應用要求。后續獲得大規模推廣應用的是1941年Bird采用離子交換法的制備方法，是如今工業上最常見的制備方法的雛形。目前主要采用離子交換法及單質Si一步溶解法來制備。其中單質硅一步溶解法工藝較簡單，雜質含量少，穩定性高，二氧化硅的膠粒粒形、粒徑、PH值、密度等易控制，能減少設備投資，縮短生產周期，工業生產上用得最多。

單質硅一步溶解法工藝流程

然而，雖然硅溶膠具有較多優良性能，但其穩定性、粒徑較難控制，故其作為原料在制備有關化工產品時，終端產物的韌性、穩定性等理化性能可能存在不足，傳統的硅溶膠通常存在涂膜易開裂、干燥慢、穩定性和疏水性差等缺點。隨著其應用范圍的不斷拓寬、使用要求的不斷提高，傳統的硅溶膠已無法滿足工業發展的需要，故必須采用一定的手段對傳統的硅溶膠進行改進。

改性一般是通過增強穩定性和通過一定手段改變表面呈負電的極性硅羥基（—Si—OH）的特性，從而改善性能。電解質、pH、溫度、粒徑及濃度等的改變均能引起硅溶膠穩定性的變化。

硅溶膠的膠團結構

硅溶膠的改性方法有化學改性及物理共混兩種：化學改性可得到更優異的性能，而后者則因無化學鍵形成而穩定性較差。常見的化學改性方法有金屬離子改性、硅烷偶聯劑改性。

（1）金屬離子改性

這種方法是用金屬離子對硅溶膠表面進行改性，可有效改善溶膠的穩定性，制得高穩定性的硅溶膠。其改性原理是：在溶膠中添加多價金屬氫氧化物或金屬氧化物，膠粒表面部分的硅羥基被金屬離子所置換，金屬離子起到穩定劑的作用。

其中，研究較多的有鋁改性、硼改性硅溶膠。

改性的目的的讓帶負電的無機微粒加入，使硅溶膠的電負性得到提高，從而使硅溶膠的穩定性大幅提高。此外，硅溶膠經金屬改性后，金屬離子進入固定層，使電位降低，膠團水化層變薄，從而有效降低了硅溶膠的凝膠濃度，使干燥速率增加，故可利用這種性質來制備快干涂料。

Al改性硅溶膠的機制

通過金屬離子改性后，硅溶膠在不同PH體系中凝膠程度降低，穩定性大幅提高，粒徑細小均勻，比表面積更大，可用于多種行業的微粒助留、助濾體系，以及用于給一些材料附加一定的疏水性、抗靜電性和阻燃性等，提高綜合性能。

（2）硅烷偶聯劑改性

這種方法是結合無機與有機的特性對材料進行改性，無機材料具有高強度、高硬度和良好的耐老化性能等優點，但存在質脆、韌性差和表面功能基團相對單一等缺點；有機材料通常具有良好的彈性、韌性和可加工性等優點，但存在不耐高溫、抗老化性能差和耐溶劑穩定性欠佳等缺點。

通過硅烷偶聯劑將硅溶膠進行改性（使無機Si和有機組分進行鏈接），從而有效防止了硅溶膠粒子的團聚，制得的有機-無機雜化材料兼具有機、無機材料等優點，甚至產生了單一材料所不具備的新性能（可滿足某些特殊的使用要求）。

硅烷偶聯劑作用機理

硅烷偶聯劑改性硅溶膠在有機相中的分散性變好，表面柔韌性、強度和疏水性等均有所增強，目前已廣泛應用于涂料、分離膜及納米復合材料等領域，在光電材料、涂料、陶瓷材料和生物醫藥等領域中具有廣闊的應用前景。在涂料中加入改性硅溶膠，可顯著提高涂層的加工性能、柔韌性和強度等理化性能。

然而，當前在改性方面存在的問題是：不同作用的金屬離子種類還有待開發，硅烷偶聯劑的品種也較少，有機-無機相的雜化程度還不夠理想，有待于改進。隨著改性體系的進一步開發完善，硅溶膠的應用價值也能擴展到新的領域，實現更多元化、更高標準的工業要求。

參考來源：

1. 改性硅溶膠的研究現狀及進展，周楠、戴雷、史述賓、閆立峰、余海斌1（1.中國科學院寧波材料技術與工程研究所；2.中國科學技術大學納米科學技術學院）

2. 單質硅溶解法制備硅溶膠工藝研究，田立朋、王力、王麗君（山東科技大學化學與環境工程學院，青島科技大學化學與分子工程學院）

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