酸性硅溶胶及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种酸性硅溶胶酸性硅溶胶，其粘度<2cp，pH值为2～3；硅溶胶中二氧化硅的含量为35%～40%，二氧化硅的平均粒径为20～50nm；硅溶胶中Na+<500ppm。本发明专利技术还提供上述酸性硅溶胶的制备方法。本发明专利技术制得的酸性硅溶胶浓度高、粘度低，在室温下具有较高的稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种高浓度、低粘、高稳定酸性硅溶胶及其制备方法。
技术介绍
硅溶胶是二氧化硅微粒均匀分散于水中的胶体溶液，又称胶体二氧化硅，因具有颗粒均匀、无毒无污染、比表面积大、反应活性高、吸附能力和粘结性能强等优点而广泛用于建筑涂料、精密铸造、耐火陶瓷材料、催化剂载体、造纸、纺织、食品等诸多行业。硅溶胶的制备方法众多，就原理而言有分散法和凝聚法两类，就工艺而言有离子交换法、单质硅溶解法、胶溶法、电渗析法、直接酸化法等，其中离子交换法因工艺简单、原料成本低廉而被广泛用于硅溶胶的研究与生产，并且离子交换工艺的调整可实现硅溶胶浓度、粘度、粒径、杂质含量以及稳定性等性能的调节。硅溶胶因pH值不同分为碱性和酸性两类，其中碱性硅溶胶的稳定性较高，室温存储期一般为2年以上，但碱性硅溶胶中金属离子（通常为钠离子）含量较高，这使其在化学抛光、催化等行业的应用受到了限制。酸性硅溶胶中金属离子含量较低，可有效避免抛光器件污染以及催化剂中毒等问题，但其稳定性较低，室温存储时间一般为3～6个月，甚至更短，这使得酸性硅溶胶的粘度在放置过程中会逐渐增加，从而影响硅溶胶的存储、运输以及实际应用。此外，酸性硅溶胶稳定性低这一问题又会限制其浓度的提高，为保证酸性硅溶胶的稳定性，其浓度通常为10%～30%，目前，制备高浓度、低粘且高稳定性的酸性硅溶胶成为研究的热点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种酸性硅溶胶及其制备方法，制得的酸性硅溶胶浓度高、粘度低，在室温下具有较高的稳定性。为实现上述目的，本专利技术提供一种酸性硅溶胶，其粘度<2cp，pH值为2～3；硅溶胶中二氧化硅的含量为35%～40%，二氧化硅的平均粒径为20～50nm；硅溶胶中Na+<500ppm。本专利技术还提供上述酸性硅溶胶的制备方法，包括如下步骤：1）将水玻璃用去离子水稀释后先后通过强酸性阳离子交换柱和强碱性阴离子交换柱；2）再用碱液将溶液pH调至7.0以上，制得活性硅酸溶液；3）取一定体积的上述活性硅酸溶液于反应容器中，加热一定时间，制得晶种；4）采用恒液位加热浓缩法，在上述晶种中持续滴加活性硅酸溶液，制得碱性硅溶胶；5）将上述碱性硅溶胶通过强酸性阳离子交换柱，制得酸性硅溶胶。优选的，步骤1）中所用水玻璃为钠水玻璃，钠水玻璃的模数为3.2～3.4。优选的，以质量分数计，步骤1）中水玻璃稀释后二氧化硅的浓度为3%～6%。优选的，步骤1）中稀释后水玻璃溶液通过强酸性阳离子交换柱、强碱性阴离子交换柱的流速为2～4BV/h（BV为树脂床体积）。优选的，步骤2）中活性硅酸溶液的pH值为7～8；步骤2）中所用碱液为氢氧化钠、氨水或胺，碱液的浓度为4%～10%。优选的，步骤3）中加热的时间为6～12h。优选的，步骤4）中滴加活性硅酸溶液的体积为晶种体积的10～15倍；步骤4）中恒液位加热浓缩的温度为90～100℃，时间为1～3d，在一定真空度下进行，真空度控制在-0.01Mpa～-0.05Mpa。优选的，步骤5）中碱性硅溶胶通过强酸性阳离子交换柱的流速为2～4BV/h。优选的，所述强酸性阳离子交换柱和强碱性阴离子交换柱中所用离子交换树脂为苯乙烯系凝胶型树脂，树脂的填充量为强酸性阳离子交换柱或强碱性阴离子交换柱容积的60%～80%；强酸性阳离子交换柱中所用离子交换树脂为732强酸性阳离子树脂；强碱性阴离子交换柱中所用离子交换树脂为717强碱性阴离子树脂。本专利技术以水玻璃为原料，采用离子交换法制备硅溶胶；通过控制水玻璃溶液浓度、离子交换流速以及溶液的pH值，得到稳定的活性硅酸溶液；再采用恒液位加热浓缩的方法，在一定体积母液中持续加入活性硅酸溶液，通过控制母液量、添加量、反应时间、反应温度等参数制备碱性硅溶胶，再通过阳离子交换树脂制备酸性硅溶胶，反应参数的调整可调节硅溶胶的浓度、粘度、pH、粒径以及稳定性等指标。酸性硅溶胶的性能与活性硅酸溶液浓度、离子交换流速、碱液加入量、反应温度、反应时间等多重因素有关，本专利技术通过合理控制各项参数，所得酸性硅溶胶中二氧化硅的浓度可达40%，酸性硅溶胶的粘度<2cp，且酸性硅溶胶的稳定性较高，室温可放置6～24个月。水玻璃的质量对硅溶胶的性能会有一定影响，宜选择澄清透明、杂质含量少且模数（即氧化硅和氧化钠的摩尔比）较高的水玻璃，其模数宜为3.2～3.4。稀释后水玻璃溶液的浓度宜控制在3%～6%范围内，且不能超过6%，否则水玻璃溶液在通过阳离子交换柱时易凝胶，从而引起离子交换树脂的板结，不易清洗和再生；浓度也不宜低于3%，否则后续恒液位加热浓缩过程需蒸发大量的水，能耗增大、效率降低。水玻璃溶液通过离子交换柱的流速宜控制在2～4BV/h，流速过快会使得溶液中部分离子尚未交换即已通过离子交换柱，导致交换不彻底，出液pH升高；流速过慢一方面使得交换效率降低，另一方面使得溶液在交换柱中停留时间较长，易产生凝胶现象。水玻璃溶液通过离子交换柱后的pH值为3.5～5.0，极易凝胶，需进行稳定化处理，本专利技术用碱液将溶液pH值调至7.0以上，所用碱液可以为氢氧化钠、氨水或胺等，最好为氢氧化钠。氨水和胺的沸点通常较低，在恒液位加热浓缩过程中容易挥发，引起底液pH的变化，制备过程中易凝胶。碱液（氢氧化钠）浓度宜为4%～10%，若浓度过低，则加入碱液量较大，会稀释活性硅酸溶液；若浓度过高，调节过程中易引起局部凝胶。酸性硅溶胶的稳定性与钠离子含量有关，钠离子含量越低，硅溶胶稳定性越高。活性硅酸溶液的pH调节相当重要，会影响碱性硅溶胶的粘度、pH值以及钠离子含量，进而影响酸性硅溶胶的稳定性。活性硅酸溶液的pH值宜控制在7.0～8.0范围内，若pH高于8.0，则加入碱液量较多，钠离子引入较多，所得碱性硅溶胶交换成酸性硅溶胶的钠离子含量也较高，室温易凝胶。若pH低于7.0，则活性硅酸溶液的稳定性较差，尚未浓缩即已凝胶。pH的调节与活性硅酸溶液的浓度也有一定关系，当活性硅酸溶液浓度较低时（3.0%～4.0%），活性硅酸溶液的pH宜调节为7.0～7.5；当活性硅酸溶液浓度较高时（4.0%～6.0%），活性硅酸溶液的pH宜调节为7.5～8.0。制备晶种的目的是使活性硅酸生长为小粒径二氧化硅，更利于下一步恒液位加热浓缩过程中颗粒的生长，加热时间宜为6～12h。为得到高浓度硅溶胶，添加活性硅酸溶液的体积应控制为晶种体积的10～15倍，添加方式为恒流加入；高温有利于二氧化硅颗粒的生长，本专利技术中液体温度控制为90～100℃；适当的真空度有利于水分的蒸发，但真空度不宜过高，否则溶液的温度难以上升，本专利技术中真空度控制为-0.01～-0.05Mpa，用真空减压阀加以调节；反应时间（即活性硅酸溶液的加入时间）会影响二氧化硅颗粒的生长，为得到较大粒径的硅溶胶产品，本专利技术反应时间控制为1～3d，若反应时间过短，则硅溶胶粒径较小，稳定性差，若反应时间过长，则生产效率降低。碱性硅溶胶通过阳离子交换柱的流速宜为2～4BV/h，流速不宜过快，否则硅溶胶中钠离子去除不彻底，会影响酸性硅溶胶的稳定性。具体实施方式下面结合实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。本专利技术提供一种酸性硅溶胶的制备方法，包括如下步骤：本文档来自技高网...

【技术保护点】
酸性硅溶胶，其特征在于，其粘度<2cp，pH值为2～3；硅溶胶中二氧化硅的含量为35%～40%，二氧化硅的平均粒径为20～50nm；硅溶胶中Na+<500ppm。

【技术特征摘要】
1.酸性硅溶胶，其特征在于，其粘度<2cp，pH值为2～3；硅溶胶中二氧化硅的含量为35%～40%，二氧化硅的平均粒径为20～50nm；硅溶胶中Na+<500ppm。2.根据权利要求1所述的酸性硅溶胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1）将水玻璃用去离子水稀释后先后通过强酸性阳离子交换柱和强碱性阴离子交换柱；2）再用碱液将溶液pH调至7.0以上，制得活性硅酸溶液；3）取一定体积的上述活性硅酸溶液于反应容器中，加热一定时间，制得晶种；4）采用恒液位加热浓缩法，在上述晶种中持续滴加活性硅酸溶液，制得碱性硅溶胶；5）将上述碱性硅溶胶通过强酸性阳离子交换柱，制得酸性硅溶胶。3.根据权利要求2所述的酸性硅溶胶的制备方法，其特征在于，步骤1）中所用水玻璃为钠水玻璃，钠水玻璃的模数为3.2～3.4。4.根据权利要求3所述的酸性硅溶胶的制备方法，其特征在于，以质量分数计，步骤1）中水玻璃稀释后二氧化硅的浓度为3%～6%。5.根据权利要求4所述的酸性硅溶胶的制备方法，其特征在于，步骤1）中稀释后水玻璃溶液通过强酸性阳离子交换柱、强碱性阴离子交换柱的流速为2～4BV...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢月，徐荣，王利亚，
申请(专利权)人：华微科技苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32