[发明专利]一种稳定的改性硅溶胶及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及化学工程领域，具体涉及一种较宽pH范围稳定的改性硅溶胶及其制备方法。

背景技术

硅溶胶是无定性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，具有大的比表面积、分散性好、粘结性好、耐久性好、提高润湿性、绝缘性好等优良特性，所以被广泛应用于化工、涂料、纺织、造纸、粘结剂、催化剂、医药及电子工业等领域。硅溶胶大多以水为溶剂，浓度一般≤40%，粒径大小为5~100nm，无臭无毒，外观一般呈乳白色或透明的溶液状，多数仅在pH≥9的碱性条件下稳定，采用氢氧化钠、氢氧化钾、氨水等作为稳定剂。

目前，工业上采用较多的制备硅溶胶的方法是离子交换法，根据其不同的工艺组合可合成不同性能的硅溶胶。该方法是以水玻璃为原料，通过离子交换形成5nm左右的晶种，然后在所述原料的水溶液中生长为8~10nm的颗粒，通过调节pH值、浓度，使其保持胶体状态。

硅溶胶中的SiO₂含有大量的水和羟基，所以SiO₂通常以胶团形态均匀分散在水中，硅溶胶粒子内部结构为硅氧烷键(Si-O-Si)，表面层由许多硅烃基(Si-0H)和烃基(-OH)覆盖，它们同胶体溶液中存在的碱金属离子一起形成扩散双电层。在运动过程中，由胶核和吸附层组成的胶粒作为一个整体运动，这样扩散层与周围的电解质通过粒子间的静电排斥作用，可以形成一种动态平衡来维持硅溶胶的稳定。如图1所示，硅溶胶在pH9-12范围内有很高的稳定性，在pH2～4范围有一个较宽的亚稳定区，而在酸中性区域硅溶胶稳定性差稳定期短，容易凝胶。因此，稳定性是硅溶胶的一个非常重要的指标，对其在科学研究、生产和生活中的应用都有重要意义。

硅溶胶中的二氧化硅颗粒越小，比表面积越大，粒子的活性越高，稳定性越差，为了提高不同粒径、不同浓度硅溶胶的稳定性，文献中也报导了很多对硅溶胶进行表面改性来提高其稳定性的方法，目前在液相中对硅溶胶进行表面改性的原理及方法主要有三类化学键合作用机理，静电相互作用机理以及吸附层媒介作用机理。例如，CN1544182A公开的“一种铝改性碱性硅溶胶”，该文介绍了一种可以稳定存在的铝改性碱性硅溶胶。US2892797公开的“一种硅溶胶及产品性能的改性方法”，该文介绍了一种金属离子改性硅溶胶，该酸性硅溶胶比普通硅溶胶稳定性有了明显提高。

因此，提高硅溶胶在高浓度、酸中性范围的稳定性并提供一种工艺简单、节省成本的制备方法，对于其工业生产及应用都非常重要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种较宽pH值范围，尤其是酸中性范围内稳定的改性硅溶胶及其制备方法。

本发明首先公开了一种稳定的改性硅溶胶的制备方法，步骤如下：

1）将待改性的碱性硅溶胶与阴离子交换树脂混合进行交换反应，获得除去阴离子的硅溶胶；

2）常压下对除去阴离子的硅溶胶进行加热使其沸腾，沸腾条件下一边搅拌一边向除去阴离子的硅溶胶中滴加金属盐溶液，获得待反应液；

3）将前一步骤的待反应液于反应釜中反应0.5～24h，反应温度为100～150℃，得到反应产物；

4）将反应产物与阳离子交换树脂混合进行交换反应，除去反应产物中的金属离子，获得改性的硅溶胶。

较优的，步骤1）中所述待改性的碱性硅溶胶的pH值为9～11。

更优的，步骤1）中所述待改性的碱性硅溶胶的粒径为10~80nm，浓度为0.1~40wt%。

最优的，步骤1）中所述待改性的碱性硅溶胶浓度为30~40wt%。

步骤2）所述沸腾为常压下加热使其沸腾，因此沸腾温度为100℃，并且保持沸腾的条件向除去阴离子的硅溶胶中加入金属盐溶液。

较优的，步骤2）中滴加的所述金属盐溶液与去阴离子的硅溶胶的质量比为1:2～10。

较优的，步骤2）所述金属盐溶液选自MgSO₄、Mg(NO₃)₂、CaSO₄或Ca(NO₃)₂。

更优的，步骤2）所述金属盐溶液的浓度为0.1~10wt%。

较优的，步骤2）所述滴加速度为80~200ml/min。

更优的，步骤2）所述滴加速度为100~180ml/min。

较优的，步骤2）所述搅拌速率为80~100rpm。

较优的，步骤3）所述反应釜的反应时间为10～20h。