[发明专利]一种硅溶胶的制备方法

说明书

本发明提供一种硅溶胶的制备方法，包括以下步骤：首先将水玻璃溶液通过阳阴离子交换树脂除去金属离子和杂离子得到活性硅酸溶液，然后将活性硅酸溶液调至酸性，并进行超声振动，得到具有反应活性的硅溶胶晶种粒子溶液，最后以所得晶种粒子为底液，进一步得到粒径增大的硅溶胶粒子，本发明首次采用超声化学方法和酸性环境结合来制备硅溶胶晶种，反应仅需在常温下即可实现，大大降低了制造过程中的能耗，缩短了工艺流程时间，且操作方法简单，适于工业化生产。

技术领域

本发明涉及一种硅溶胶的制备方法，属于功能性无机纳米材料制造技术领域。

背景技术

硅溶胶，又名硅酸溶胶，胶体粒子直径为20-100nm左右，是环保无毒、用途广泛的无机硅纳米材料，在化工、精密铸造、纺织、造纸、涂料和微电子等工业领域都有应用。硅溶胶的制备方法按原料二氧化硅来源分主要有水玻璃法和硅粉法，其中水玻璃法由于原料价格低廉、制造方法简单已成为常见的工业制造方法。硅溶胶水玻璃法制造的国内外相关专利较多，例如：US2577484、CN102432027A、CN96100907.1等公开的硅溶胶的制造过程一般步骤包括：将水玻璃溶液通过阳阴离子交换树脂除去金属离子和杂离子得到硅酸溶液，在硅酸溶液中加入盐酸、硫酸、硝酸、草酸等得到活性硅酸，然后在NaOH、KOH和氨水等碱性试剂存在条件下，将活性硅酸向沸腾或接近沸腾温度的水玻璃溶液或水溶液中逐步加入，经历数十小时后聚合生成硅溶胶晶种粒子溶胶，再以晶种粒子为底液，继续加入活性硅酸可得到粒径进一步增大的硅溶胶粒子。上述方法由于晶种的生成需要在保持沸腾状态下长时间反应，在制造工艺上对能源的消耗量较大，并使整个工艺流程的时间较长。

此外，有文献报道采用超声波溶剂协同作用来进行味精、葡萄糖、木糖醇、麦芽糖等的成核研究并获得成功(溶剂超声波协同法用于有机物系结晶快速成核，化工学报，VOL.48，No.5，1997)，此方法必须协同溶剂才能实现，而在活性硅酸的水溶液中由于存在硅羟基相互反应，存在形成晶核和网络交联凝胶的竞争反应，浓度越接近饱和越容易发生凝胶，因此按文献中所要求的超声起晶的过饱和状态是无法达到的。另外还有金属有机化合物通过超声方法制备氧化物纳米颗粒(超声化学制备纳米材料的研究进展，稀有金属材料与工程，V32.No.8，2003)，但该方法要求前驱物也应当具有适当挥发性，这对于硅酸溶液很难实现，且该文献也未提及如何制备硅溶胶晶种粒子，此外，现有技术中制备硅溶胶晶种粒子均在碱性条件下进行，有尝试采用超声震荡方法直接在碱性条件下来制备硅溶胶晶种粒子，但尚未见到成功的报道，综上，现有制备硅酸晶种的方法仍然存在一定缺陷，如成本高、能耗大、工艺流程长等。

发明内容

本发明的目的在于针对上述不足，提供一种硅溶胶的制备方法，该方法制备出的硅溶胶在保证高纯度的基础上，大大降低了制造过程中的能耗，缩短了工艺流程时间，且操作方法简单。

本发明的技术解决方案是：一种硅溶胶的制备方法，包括以下步骤：

1)将水玻璃溶液通过阳阴离子交换树脂得到活性硅酸溶液；

2)将步骤1)所得活性硅酸溶液的pH值调节为1～2；

3)将步骤2)所得活性硅酸溶液进行超声振动，得到具有反应活性的硅溶胶晶种粒子溶液；

4)以步骤3)所得晶种粒子为底液，加入采用步骤1)所述方法制备的活性硅酸溶液，即得到所述硅溶胶。

本发明的反应机理分析如下：

本发明的晶种的制备是在酸性条件下进行的，其不同于现有技术中在碱性条件下制备晶种，虽然超声化学方法能够改变溶液相中的溶质的反应特性，但在碱性条件下无法实现硅酸晶种的制备，经分析认为可能是低浓度下硅酸分子的反应活性不足，偶尔有高能态的反应中间物产生，但未能进一步反应而湮灭，因此提高反应中间产物的稳定性是解决超声化学法制备晶种的可能途径之一，根据硅酸的聚合作用机理，在微碱性、中性、微酸性条件下硅酸根分子配位数为4，自聚生成二聚体，如式(1)所示：