硅溶胶及其制备方法技术

本发明专利技术涉及硅溶胶及其制备方法，所述硅溶胶的二氧化硅含量为10-50重量％(基于硅溶胶的重量计)；硅溶胶在酸性体系下的pH值为1.0-5.0，在碱性体系下的pH值为8.5-11.5；粒径为40-150nm，其中硅溶胶颗粒比表面积与粒径存在如下关系：S/DS2＝0.0040-0.0675，其中S以m2/g计，Ds以纳米计。本发明专利技术的硅溶胶纯度高且稳定性高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及。
技术介绍
硅溶胶是纳米尺度的二氧化硅颗粒分散于水中的胶体溶液，其中分散介质也可以 是醇等有机溶剂，一般情况下指水体系，所以也称二氧化硅水溶胶。早在1915年，Schwerin 就以水玻璃（硅酸钠）为原料，采用电渗析法首次人工合成了硅溶胶，不过由于硅溶胶浓度 太稀，SiO2质量分数仅为2. 4%，因而实用意义不大。直到1941年Bird以离子交换法制得 稳定的较高浓度硅溶胶，才使得硅溶胶能够实现大规模的工业化生产和应用。在之后的几 十年里，硅溶胶的研宄开发取得了很大进步，成为一种重要的无机高分子材料，广泛应用于 化工、精密铸造、纺织、造纸、涂料、食品、电子、选矿等领域。 普通硅溶胶的常用制备工艺如下：将水玻璃通过离子交换去除钠离子，在 SO-KKTC碱性条件下进行颗粒长大，再经过蒸发浓缩或膜过滤得到一定浓度含量的二氧化 硅溶胶。也可以从硅粉出发，通过碱性水解反应制得。例如：CN1830777以硅粉为原料通过 水合反应制得大粒径，高浓度的二氧化硅胶体。CN102432027A采用离子交换法制备活性硅 酸，将其加入到沸腾的水玻璃中，制备成碱性硅溶胶，再采用有机酸进行表面改性，最后通 过离子交换制成酸性硅溶胶。用这些方法制得的硅溶胶会含有较多的碱金属离子以及铁铝 钛等金属杂质，一般杂质含量会在几千或几百个ppm以上，而对于电子抛光、特种涂料、催 化剂载体等行业，杂质含量过高会带来负面影响，是无法接受的。 另外，根据硅溶胶颗粒在水中的离子分布情况可以发现，多数的金属杂质存在于 硅氧网络结构中晶或分布在颗粒表面，通过简单的离子交换或者化学方法可以去除，但是 也有少量金属杂质存在于胶体内部，这部分杂质难以通过常规手段去除，而且随着时间的 迀移，它们会逐渐被释放出来，影响产品纯度。 CN101495409A公开了一种醇盐法制备硅溶胶的方法，采用烷氧基硅烷进行水解和 浓缩聚合，用酸性分散剂处理后再经过浓缩和溶剂置换，可以制得二氧化硅含量在20 %以 上，杂质总含量在Ippm以内的高纯产品，可以适用于硅晶圆的抛光等应用。该方法具有的 缺陷是硅烷原料价格高昂，且对设备、操作过程要求较高。 因此，仍需开发制备方法经济，纯度高和稳定性高的硅溶胶。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供一种硅溶胶及其制备的方法。 为此，一方面，本专利技术提供一种硅溶胶，其特征在于，所述硅溶胶的二氧化硅含量 为10-50重量％ (基于硅溶胶的重量计）；硅溶胶在酸性体系下的pH值为1. 0-5. 0,在碱性 体系下的pH值为8. 5-11. 5 ;粒径为40-150nm，其中硅溶胶颗粒比表面积与粒径存在如下关 系：S/Ds2= 0· 0040-0. 0675,其中 S 以 m Vg 计，Ds 以纳米计。 根据本专利技术的第二方面，提供一种制备硅溶胶的方法，其特征在于，所述方法包括 以下步骤： (1)将活性硅酸与碱性化合物混合，使得混合物的pH为8-11，然后进行加热熟 化； (2)向步骤（1)的所得物中加入活性硅酸，并保持所得物为碱性，然后保温，得到 硅溶胶； (3)将步骤⑵制备的硅溶胶通过强酸性阳离子树脂，使pH降低至6以下，然后加 入金属离子螯合剂，调节pH为1. 0-5. 0,静置； (4)将步骤（3)所得物依次通过强酸性阳离子树脂、阴离子树脂、强酸性阳离子树 月旨，得到PH值为1. 0-5. 0的酸性硅溶胶；任选地（即选择性使用，非必须实施），向所得酸 性硅溶胶中加入不含金属离子的碱性化合物，得到pH值为8. 5-11. 5的碱性硅溶胶。 本专利技术的硅溶胶纯度高且稳定性高。【附图说明】 图1为实施例1的样品的扫描电镜照片。 图2为实施例3的样品的扫描电镜照片。【具体实施方式】 在本专利技术中，如无相反说明，则所有操作均在室温、常压下进行。 在本说明书中，如无相反说明，各种所需溶液使用去离子水配制。 本专利技术提供一种硅溶胶，所述硅溶胶的二氧化硅含量为10-50重量％ (基于硅溶 胶的重量计），优选15-45重量％ ;硅溶胶在酸性体系下的pH值为1. 0-5. 0,在碱性体系下 的pH值为8. 5-11. 5 ;粒径为40-150nm，其中硅溶胶颗粒比表面积与粒径存在如下关系：S/ Ds2= 0.0040-0. 0675,优选 0.0045-0. 0660,其中 S 以 m2/g 计，Ds 以纳米计。 在本说明书中，所述硅溶胶的比表面积通过本领域普通技术人员已知的方法（具 体方法示于实施例中）测定。 根据本专利技术的第二方面，提供一种制备硅溶胶的方法，其特征在于，所述方法包括 以下步骤： (1)将活性硅酸与碱性化合物混合，使得混合物的pH为8-11，然后进行加热熟 化； (2)向步骤⑴的所得物中加入活性硅酸，并保持所得物为碱性，然后保温，得到 硅溶胶； (3)将步骤（2)制备的硅溶胶通过强酸性阳离子树脂，使pH降低至6以下，然后加 入金属离子螯合剂，调节pH为1. 0-5. 0,静置； (4)将步骤（3)所得物依次通过强酸性阳离子树脂、阴离子树脂、强酸性阳离子树 月旨，得到PH值为1. 0-5. 0的酸性硅溶胶；任选地，向所得酸性硅溶胶中加入不含金属离子的 碱性化合物，得到pH值为8. 5-11. 5的碱性硅溶胶。 在本说明书中，所述活性硅酸采用本领域已知的方法制备，如可以采用 CN102432027A中的方法利用离子交换树脂制备活性硅酸，制得活性硅酸的二氧化硅浓度为 4-10重量％，基于硅溶胶的重量计。 在本说明书中，在步骤（1)和步骤（2)中所用活性硅溶胶为相同。 在步骤（1)中，所述碱性化合物可为有机碱，例如，但不限于：季铵碱类，如四甲基 氢氧化按、四乙基氢氧化按、四丙基氢氧化按，优选四甲基氢氧化按。 在一个优选的实施方案中，在步骤（1)中，所述有机碱为其水溶液的形式，如5% 的四甲基氢氧化铵。 在步骤（1)中，所述加热在50°C以上进行，优选在60°C以上进行，更优选90°C。 在步骤（1)中，所述熟化可进行1-20小时，优选3-10小时，更优选4-8小时。 在步骤（1)中，熟化后颗粒的粒径为5-40nm，优选为7-20nm。 在步骤（2)中，所得物的温度保持在70°C以上，优选80°C，更优选90°C。 在步骤⑵中，在加入活性硅酸的过程中，由于活性硅酸表面存在硅醇基，容易与 种子颗粒（由步骤（1)得到）进行聚合，从而实现颗粒粒径的增长。与此同时，溶液的pH值 会随着硅醇基聚合反应而逐渐降低，因此，所得物的碱性可通过加入碱性化合物而保持，所 述碱性化合物为有机碱，例如，但不限于：季铵碱类，如四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、 四丙基氢氧化铵，优选四甲基氢氧化铵，在一个优选的实施方案中，所述有机碱为其溶液的 形式，如5 %的四甲基氢氧化铵。 在步骤（2)中，可采用本领域已知的方法将所得的硅溶胶进行浓缩以增加二氧化 硅的含量，如超滤机浓缩、真空减压浓缩、膜浓缩等方法，以得到所需浓度的硅溶胶。通常这 些方法可将二氧化硅含量控制在10-50重量％范围内。 最终合成的粒径大小可通过调整合成时间来控制，如通过增加活性硅酸的用量并 增加合成时间，以增加合成粒径。 本专利技术平均粒径的检测方法采用公知的电镜统计法，在带有自动颗粒统计本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅溶胶，其特征在于，所述硅溶胶的二氧化硅含量为10‑50重量％(基于硅溶胶的重量计)；硅溶胶在酸性体系下的pH值为1.0‑5.0，在碱性体系下的pH值为8.5‑11.5；粒径为40‑150nm，其中硅溶胶颗粒比表面积与粒径存在如下关系：S/DS2＝0.0040‑0.0675，其中S以m2/g计，Ds以纳米计。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：裴亚利，操应军，李宝德，程彦芬，
申请(专利权)人：北京航天赛德科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11