由硅酸钠制备大粒径硅溶胶颗粒研究

摘要

硅溶胶[1]是无定形二氧化硅（mSiO2·nH2O）颗粒在水中均匀分散形成的一种胶态分散体。由于硅溶胶中二氧化硅颗粒表面含大量羟基，具有较强的反应活性，经过表面改性又能与有机聚合物混溶，因此被广泛用于涂料、精密铸造、耐火材料、造纸、石油化工、电子等很多行业。工业上合成的硅溶胶中纳米二氧化硅颗粒的粒径一般为10～40 nm，难以满足某些特殊行业要求。如何合成大粒径(＞80nm)硅溶胶，成为目前硅溶胶化学的研究热点之一。
　　本文以硅酸钠水溶液（又称泡花碱溶液或水玻璃）为原料，探索研究了大粒径硅溶胶的制备方法，考察了聚乙二醇(PEG)对粒子形貌的影响;采用“硅酸钠直接缩聚法”和“硅酸钠直接缩聚-正硅酸四乙酯水解聚合联合法”实现了硅溶胶的粒径可控制备，并获得了均分散大粒径硅溶胶，为硅溶胶可控制备技术的研发和应用提供了参考信息。本文主要研究内容和结论如下:
　　(1)用离子交换法以硅酸钠为原料制备出“活性硅酸”，考察了影响活性硅酸缩聚快慢的条件。结果表明，在酸性条件(pH1～3)下缩聚产物极易胶凝，添加PEG（分子量Mw=200）对胶凝无明显抑制效果;在碱性条件(pH～10)下缩聚可得分散性良好的硅溶胶（研究条件下粒径～70 nm），添加PEG可减小硅溶胶颗粒粒径(研究条件下粒径～40 nm)。
　　(2)以氨水(NH3·H2O)为催化剂，在乙醇(EtOH)溶剂中将正硅酸四乙酯(TEOS)水解-缩合，制备出了均一性高的硅溶胶（mSiO2·nH2O纳米颗粒）。本步骤中采用多步水解-聚合法，可调控颗粒尺寸。研究条件下制备的硅溶胶粒径为30～50 nm。
　　(3)参照TEOS水解-缩合法，探索研究了“硅酸钠直接缩聚法”。以硅酸钠溶液为原料，在乙醇/氨水介质中直接缩聚，结果表明可制备出稳定的硅溶胶产品，呈规则球形颗粒;随硅酸钠浓度增大，所制备的硅溶胶颗粒粒径增大，即可通过改变硅酸钠溶液浓度，可调控粒径大小。该法可获得大粒径(＞100 nm)球形颗粒，但均匀度较差，缩聚条件有待优化。另外，缩聚机理还有待研究。
　　(4)将“硅酸钠直接缩聚法”与“正硅酸四乙酯(TEOS)水解-聚合法”相结合，探索研究了“硅酸钠直接缩聚-TEOS水解聚合联合法”制备均分散大粒径硅溶胶的可行性。结果表明，该方法可制备出尺寸均匀的大粒径(～300 nm)产品，为硅溶胶的可控制备提供了新途径。该方法与硅酸钠直接缩聚法相比，可明显改善颗粒均匀度，与TEOS水解-聚合法相比，可明显降低TEOS用量（成本降低），具有实用价值。所制备硅溶胶颗粒的表面性质和应用性能还有待考察。
　　(5)考察了PEG对硅酸钠直接缩聚法制备硅溶胶的影响。结果表明，添加PEG可减小颗粒粒径，并具有抑制颗粒聚集的趋势。PEG分子量(Mw4000～20000)越大，在相同条件下制备的硅溶胶颗粒越小。

目录

声明

摘要

1．1．1 简介

1．1．2 结构

1．2 研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 硅溶胶制备方法

1．3．1 离子交换法

1．3．2 单质硅一步溶解法

1．3．3 直接酸化法

1．3．4 电渗析法

1．3．5 胶溶法

1．4 硅溶胶制备原理

1．4．1 离子交换原理

1．4．2 聚合机理

1．4．3 硅溶胶粒径生长机理

1．4．4 胶粒生长控制机理

1．4．5 胶体的稳定理论

1．5 硅溶胶稳定性的影响因素

1．5．1 pH值的影响

1．5．2 电解质的影响

1．5．3 粒径的影响

1．5．4 其他影响因素

1．6 硅溶胶的应用

1．6．1 在化学工业中的应用

1．6．2 在涂料工业中的应用

1．6．4 在造纸工业中的应用

1．6．5 在陶瓷制造中的应用

1．6．6 在抗菌领域中的应用

1．6．7 在光学领域中的应用

1．7 硅溶胶行业展望

1．8 论文选题的目的和意义

第二章 实验部分

2．1 实验试剂及仪器

2．1．1 实验试剂

2．1．2 实验仪器

2．2 实验方法

2．2．1 离子交换法制备硅溶胶

2．2．2 TEOS水解-缩聚法制备硅溶胶

2．2．3 硅酸钠直接缩聚法制备硅溶胶

2．2．4 硅酸钠直接缩聚-TEOS水解聚合联合法制备硅溶胶

2．3 检测与表征

2．3．1 胶凝时间的测定

2．3．2 粒径的测定

2．3．3 TEM表征

2．3．4 SEM表征

2．3．5 pH值的测定

2．3．6 硅酸钠模数的测定

第三章 结果与讨论

3．2．1 pH和温度对活性硅酸溶液缩聚过程的影响

3．2．2 PEG对硅溶胶稳定性的影响

3．3 TEOS水解-缩聚法制备硅溶胶

3．4 硅酸钠直接缩聚法制备硅溶胶

3．4．1 硅酸钠浓度对硅溶胶颗粒形貌的影响

3．4．2 温度和氨水／乙醇体积比对硅溶胶颗粒形貌的影响

3．4．3 PEG对硅溶胶颗粒形貌的影响

3．5 硅酸钠直接缩聚-TEOS水解聚合联合法制备硅溶胶

第四章 本文主要结论

参考文献

致谢