[发明专利]一种单分散、大粒径、高稳定性的酸性硅溶胶及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二氧化硅溶胶及其制造方法，具体涉及一种单分散、大粒径、高稳定性的酸性硅溶胶及其制造方法。

背景技术

硅溶胶是无定型二氧化硅聚集颗粒在水中均匀分散形成的胶体溶液。作为一种重要的无机高分子材料，已广泛应用于化工、精密铸造、纺织、造纸、材料、涂料及电子等领域。根据溶液pH值范围可分为酸性硅溶胶和碱性硅溶胶两种。碱性硅溶胶是一种稳定体系，国内外关于其制备和应用方面的专利较多，如KR920005405B，JP2006036605，GB1211483，CN1352673，CN1084490，CN1155514都有此方面的报道。

相对碱性硅溶胶，酸性硅溶胶处于亚稳状态，在放置过程中会逐渐发生胶凝作用，尤其是高浓度的酸性硅溶胶的凝胶趋势更为明显，成为制约其应用的主要影响因素。酸性硅溶胶的常用制备工艺有如下两种：

一种是水玻璃稀释后通过离子交换法制备；这种方法制得的酸性硅溶胶稳定性差，如专利US2244325以水玻璃为原料，制得的酸性硅溶胶的存放时间仅为几小时，并且其最大浓度为15％，提高了储存和运输成本。专利US3867304以水玻璃为原料，通过多次阳离子和阴离子交换可大大提高所得酸性硅溶胶的稳定性。

另一种方法是通过硅粉和水在催化剂的作用下反应制得。如专利CN200710119578.9采用硅粉和水反应制得酸性硅溶胶，具有高稳定性和高浓度的特点，但这种方法制备的硅溶胶溶液的颗粒尺度小，难以满足实际应用中对粒度的要求，如半导体芯片抛光专用溶胶等。

其他的方法，如专利TW234579B公开了一种含有甲醇的pH在1-6的二氧化硅研磨液，可用于硅基片的抛光；专利JP6199515和JP63123807通过将少量氧化铝加入到二氧化硅溶胶中，继而经离子交换处理得到较为稳定的酸性二氧化硅溶胶。

上述方法，由于方法本身的限制或者原料的影响，常使制得的酸性硅溶胶存在稳定性差、颗粒尺度小、金属离子含量高等缺点。

以水玻璃为原料，采用离子交换法制备活性硅酸，通过在种子溶液中滴加活性硅酸的方法制备大粒径、单分散硅溶胶，在二氧化硅颗粒表面进行有机酸改性的方法目前未见文献报道。

发明内容

本发明针对公知离子交换法制备酸性硅溶胶粒径难于控制、分散度较大、稳定性差等问题，提供一种制备工艺简单，产品有良好的贮存稳定性能，单分散、大粒径、高稳定性的酸性硅溶胶及其制造方法。

本发明提供的硅溶胶具体特征为，一种单分散、大粒径、高稳定性的酸性硅溶胶，包括水和分散在水中的粒度为10-100纳米的二氧化硅胶体，溶胶体系的pH值为1.0-6.0，固含量为10-35％。

一种单分散、大粒径、高稳定性的酸性硅溶胶的制造方法，具体步骤如下：

(1)将工业泡花碱用去离子水稀释得到浓度为1-10％的水玻璃溶液，通过苯乙烯系强酸性阳离子交换树脂进行交换反应，除去钠离子和其他阳离子杂质，得到浓度为1-10％的活性硅酸溶液；

(2)在pH值为8-11、沸腾状态下的浓度为1-10％的100ml水玻璃溶液中，滴加50-300ml步骤(1)制备的活性硅酸溶液，反应过程中通过添加0.3-2ml碱性溶液，控制pH值在8-10范围内，反应后冷却，陈化2-6小时得硅溶胶一次母液，浓度为1-10％，

所述的碱性溶液为氢氧化钠、氨水、碳酸钠中的一种或几种；氢氧化钠、氨水、碳酸钠的浓度为1mol/L；

(3)取100ml制备的一次母液在常压下加热并保持沸腾蒸发状态，搅拌下再次滴加50-300ml步骤(1)制备的活性硅酸溶液，反应过程中通过添加0.3-2ml碱性溶液，控制pH值范围为8-11，反应后陈化2-6小时，得到浓度为1-10％，硅溶胶粒度为10-100纳米的碱性硅溶胶，

所述的碱性溶液为氢氧化钠、氨水、碳酸钠中的一种或几种；氢氧化钠、氨水、碳酸钠的浓度为1mol/L；

(4)将0.05-0.5g有机酸溶解于50-300ml步骤(1)制备的活性硅酸溶液中制备成酸性混合溶液，取100ml步骤(3)制备的碱性硅溶胶在常压下加热并保持沸腾蒸发状态，搅拌下滴加50-300ml酸性混合溶液，反应过程中通过添加0.3-2ml碱性溶液，控制pH值范围为9-11，反应后陈化2-6小时，得到改性硅溶胶，浓度为1-10％；

所述有机酸为柠檬酸、乳酸、苯磺酸中的一种或几种，

所述的碱性溶液为氢氧化钠、氨水、碳酸钠中的一种或几种；氢氧化钠、氨水、碳酸钠的浓度为1mol/L；