[发明专利]一种硅溶胶及制备方法

说明书

本发明提出一种硅溶胶及制备方法，采用氨催化硅酸生长法制备，在恒液面下将活性硅酸溶液加入到沸腾的晶种溶液中生长硅溶胶过程中，当二氧化硅的浓度到达一定浓度时，将沸腾的反应液降温反应一定时间。本发明通过设置反应保温步骤，确定降温时机，使活性硅酸的反应转化率提高，粒子的活性硅羟基减少，高浓度时的稳定性显著提高。

技术领域

本发明涉及一种硅溶胶及制备方法，属于功能性无机纳米材料技术领域。

背景技术

硅溶胶，又名硅酸溶胶，或二氧化硅水溶胶，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。酸性硅溶胶处于pH3-4，在放置过程中会逐渐发生凝胶，浓度越高凝胶时间越短。在工业上使用的酸性硅溶胶的浓度一般不超过30％，凝胶时间2-5天左右。为避免钠、钾离子污染硅溶胶，对于纳、钾离子有严格限定的高纯酸性硅溶胶的制备，通常采用的是氨催化的硅酸生长法，在碱性pH9～11沸腾水溶液中生成球形硅溶胶，但由此法制得的硅溶胶的稳定性不如由钠、钾催化而得的硅溶胶，即使延长反应时间或提高反应温度也不能明显改善稳定性，且硅溶胶的粘度也较采用钠、钾催化而得的硅溶胶大。

高浓度的高纯酸性硅溶胶在高密度电池、无机纤维、气凝胶等技术领域对提高性能、降低成本有明显作用，但其稳定时间短限制了应用。通常要提高硅溶胶的稳定性有几种方法：1、增大双电层中的离子电荷，增大粒子间的静电排斥力；2、调节PH值在稳定区间，小于2或大于10；3、降低活性硅羟基相对数量和活性。由于不能增加杂质金属离子的含量以及需要在弱酸性的环境下使用，前两种方法都不方便采取，只能从硅羟基的数量活性降低这一方法着手，因此在氨催化条件下有效提高硅酸转化率并降低硅溶胶表面硅羟基密度，硅溶胶粒子相互反应的几率降低，高浓度硅溶胶的稳定性才能明显增加。

有不少对酸性硅溶胶的制备及其稳定性影响因素的研究,如通过高温高压条件，加快反应速度，增大硅溶胶粒子粒径，通过降低粒子总表面积使硅羟基数量减少，如，在25％浓度条件下凝胶时间可以长达16天(二氧化硅粒径对酸性硅溶胶稳定性的影响，华东理工大学学报，2003，12，Vol.29，No.6)，但增大粒径需要多次重复增长反应；由过铝酸盐与硅溶胶表面硅羟基反应，形成铝硅酸盐负离子，消耗了活性硅羟基，从而制得高浓度稳定的硅溶胶，但引入了Al离子成为新的杂质(改性硅溶胶的研究现状及进展，中国胶粘剂，2016年11月第25卷第11期)；CN 102432027A使用有机酸取代硅溶胶表面羟基，也实现了提高稳定性，但引入了有机物基团，影响了硅溶胶的纯度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种不影响纯度、工艺简单且高浓度下具有良好稳定性的硅溶胶及制备方法。

本发明的技术解决方案：一种硅溶胶，采用氨催化硅酸生长法制备，在恒液面下将活性硅酸溶液加入到沸腾的晶种溶液中生长硅溶胶过程中，当二氧化硅的浓度(二氧化硅占反应液质量百分比)到达5％～10％时，停止加入活性硅酸溶液，将沸腾的反应液降至60～80℃，保温反应不低于1小时。

所述的保温反应时间优选1～12小时，在优选范围内，其他条件不变的情况下，保温反应时间越长，最终硅溶胶的凝胶时间会相应延长；超出优选范围，若时间太短，对延长凝胶时间(稳定性改善)作用不明显，时间太长，凝胶时间延长变化不明显。

所述的反应液反应温度优选为60～80℃，在优选范围内，其他条件不变的情况下，反应温度越高，最终硅溶胶的凝胶时间会相应延长；超出优选范围，若反应温度太高或太低，对延长凝胶时间(稳定性改善)作用不明显。

所述的反应液降温时机优选反应液中二氧化硅的浓度(二氧化硅占反应液质量百分比)为5％～10％，在优选范围内，其他条件不变的情况下，二氧化硅的浓度越高，最终硅溶胶的凝胶时间越短；超出优选范围，二氧化硅的浓度太高或太低，对延长凝胶时间(稳定性改善)作用不明显。