硅溶胶制备水玻璃复合硅溶胶的研究

硅溶胶制备水玻璃复合硅溶胶的研究

1硅溶胶的制备硅溶胶（siliasol）也被称为硅酸溶胶，无臭氧。由于硅溶胶中的SiO2含有的结合水及羟基,故硅溶胶也可表述为SiO2·nH2O,其中SiO2通常以胶团形态均匀分散在水或有机溶剂中,外观一般呈乳白色或淡青透明的溶液状,有大比表面积、高分散性、高吸附性、高耐热性等特征。文献报道硅溶胶制备方法较多,不同粒径的硅溶胶应用领域也不相同。制备硅溶胶的关键技术为粒径的控制和其产品的稳定性,尤其是高浓度的硅溶胶其稳定性是硅溶胶制备工艺的主要难点。采用离子交换法可以最大程度去除体系中能引起硅溶胶凝聚的杂质,结合添加稳定剂,使其稳定性得以提高。离子交换后的硅溶胶一般初始粒径只有3nm左右,可以通过多次粒径增长控制最终产品的目标粒径。本文以水玻璃为原料,离子交换制备硅溶胶,通过一次粒径增长使硅溶胶达到10nm左右的目标粒径。采用正交分析方法和回归模型考察增长阶段硅溶胶滴加液滴加速率,反应时间,滴加液与底液用量比各因素之间交互作用对硅溶胶制备的影响。2实验2.1实验材料水玻璃,工业级,江西氨厂;732型阳离子交换树脂,工业级,市购;717型阴离子交换树脂,工业级,市购。2.2实验方法2.2.1硅溶胶及硅溶胶的制备将稀释到一定质量浓度的水玻璃溶液以一定的流量流过阳离子交换树脂床,除去稀水玻璃溶液中的钠等金属阳离子,制得聚硅酸溶液,后以一定流量流过阴离子交换树脂床,得到碱性硅溶胶,静置陈化后得到硅溶胶母液,母液再经过增长得到一定粒度的硅溶胶产物。实验流程如图1。2.2.2粒度分布及表面平均化合物的测定采用英国马尔文公司生产的纳米粒度仪(PSANANOZS90)测定硅溶胶的粒度分布,采用Nicolet380型傅立叶变换红外光谱仪测定硅溶胶的表面基团。3结果与讨论3.1胶粒平均粒径及最佳反应条件由单因素实验结果可知,硅溶胶制备过程胶粒增长过程对产物物化性能影响最为重要。文章采用正交试验设计,考查胶粒增长过程硅溶胶滴加速率,反应时间,硅溶胶滴加液与底液(以二氧化硅的质量分数计)用量比对实验效果的影响,以胶粒平均粒径为目标函数。实验硅溶胶母液中胶粒的平均粒径为3.63nm,硅溶胶底液浓度(以二氧化硅的质量分数计)为4.5%,反应温度为95℃等条件不变。制定了正交实验因素-水平表见表1,采用标准正交表L9(34),表中因素D为误差列,实验结果见表2,实验结果极差分析见表3。由正交实验极差分析和方差分析结果可知,因素A(硅溶胶母液滴加速率)对硅溶胶胶粒平均粒径增长有显著影响,为影响的主要因素。因素B(反应时间)及因素C(滴加液与底液用量比)对实验影响较小,为次要因素。由实验结果可以看出,实验最佳工艺参数为:A3B1C3,即硅溶胶母液滴加速率为0.555mL/cm3·min,反应时间6h,硅溶胶滴加液与底液用量比为20∶1。3.2最佳实验参数的预测和验证取反应时间,硅溶胶滴加液与底液用量比以及硅溶胶滴加液滴加速率三个因素中的两个,将其与实验指标硅溶胶平均粒径进行关联,二次回归并作图,预测最佳实验参数。3.2.1通过硅溶胶滴加液的滴加率和反应时间回归分析从图2可知,当硅溶胶母液滴加速率达到0.405mL/cm2·min,且反应时间为7.1h时,硅溶胶平均粒径有最大值。3.2.2通过滴加硅凝胶溶液的反应时间回归分析从图3可以看出,当硅溶胶滴加液与底液用量比为20∶1,反应时间为7h时,硅溶胶平均粒径有最大值。3.2.3硅溶胶粒径测定从图4可以看出,当硅溶胶滴加液与底液用量比为20∶1,硅溶胶母液滴加速率为0.405mL/cm2·min时,硅溶胶平均粒径有最大值。3.2.4次拟合分析结果对正交分析结果以及二次拟合得到的最佳实验参数进行比较,结果见表4。对于硅溶胶滴加液滴加速率,正交分析结果最佳为0.555mL/cm2·min,二次拟合分析结果最佳为0.405mL/cm2·min,两种方法的预测值相差较大,实验取正交分析的结果为最佳值,即0.555mL/cm2·min;对于反应时间,两种方法的预测值也有相差,实验取7h最佳;对于硅溶胶滴加液与底液用量比,两种方法的最佳值都一致,20∶1最佳。则以硅溶胶滴加液滴加速率0.555mL/cm2·min,反应时间7h,滴加液与底液用量比20∶1为最佳实验条件。3.3最佳工艺条件的确定及产品表征实验保持硅溶胶母液中胶核的平均粒径为3.63nm,硅溶胶底液的浓度(以二氧化硅的质量分数计)为4.5%,搅拌速率为100r/min,硅溶胶滴加液的浓度(以二氧化硅的质量分数计)为4%,保持反应温度为95℃等条件不变。在该条件下,多次重复3.2.4确定的最佳工艺条件,结果见表5。由表5可以看出,实验的RSD值小于0.05,实验的重复性很好。硅溶胶产品的平均粒径在7.7~8.3nm之间,产品粒度分布情况如图5,产品红外表征见图6。对硅溶胶产品的红外谱图进行分析可知,硅溶胶在3470cm-1处有强吸收峰,为物理吸附水和胶粒表面羟基(H-OH)的伸缩振动,羟基之间的氢键作用。1640cm-1处的吸收峰为物理吸附水和胶粒表面羟基(H-OH)的弯曲振动。1100cm-1处的吸收峰为硅醚键Si-O-Si的非对称伸缩振动吸峰,474cm-1处的吸收峰为的硅醚键(O-Si-O)的弯曲振动吸峰。4产品的粒径分布实验得到制备硅溶胶的最佳工艺条件为:硅溶胶母液平均粒径为3.63nm,硅溶胶底液的浓度(以二氧化硅的质量分数计)为4.5%,硅溶胶滴加液的浓度(以二氧化硅的质量分数计)为4%,保持反应温度为95℃,硅溶胶母液滴加通量为0.555mL/cm2·min,反应时间7h,硅溶胶滴加液与底液用量比为20∶1时,所得碱性硅溶胶产品平均粒径在7.7