1. 欢送莅临教诲期刊网!
  2. 我们曾经做论文八年了置信我们,能协助到你的:论文代写与宣布!

硅溶胶的制备及其影响要素

张翠 李绍纯 金祖权 赵铁军

(青岛理工大学土木匠程学院,山东 青岛 266033)

【择要】硅溶胶是二氧化硅的胶体疏散于水中或溶剂中的一种胶体溶液,具有一系列优秀的功能,普遍使用于涂料、纺织等行业。本文综述了以正硅酸乙酯为质料接纳溶胶-凝胶法制备硅溶胶的进程及波动性的影响要素。

教诲期刊网 http://www.jyqkw.com
要害词 硅溶胶;正硅酸乙酯;波动性;溶胶-凝胶法

【Abstract】Silica sol is a colloidal dispersion of silica in water or solvent in a kind of colloid solution, Silica sol has many excellent performance, thus it widely used in paint, textile and other industries, the ethyl silicate as the raw material is to be the reaction of silica sol prepared by sol-gel method process and the influence factors of stability are summarized in the paper , in order to make certain directive significance to the design process of silica sol.

【Key words】Silica sol; Ethyl silicate; Stability; Sol - gel method

0 弁言

硅溶胶是二氧化硅的胶体粒子疏散于水中或溶剂中的一种胶体溶液,又名硅酸溶液或二氧化硅水溶液[1]。依据pH值的差别硅溶胶分为酸性硅溶胶和碱性硅溶胶。其根本身分为无定型的二氧化硅,分子式mSiO2·nH2O,胶勾结构如图1所示。

硅溶胶含有少量的水合胶体,这些胶体呈化学惰性,因而硅溶胶无臭、无味、无化学腐化;硅溶胶的胶团为纳米级别,具有较大的比外表积和吸附才能,使得硅溶胶具有较好的粘结性、亲水性和憎油性。与此同时,硅溶胶还具有较好的疏散性以及精良的透光性。这一系列优秀的功能使得硅溶胶失掉人们的存眷并普遍使用于涂料、粘结剂、耐火绝热资料、纺织、冶金精铸、制药等行业[2-4]。

1 溶胶—凝胶法制备硅溶胶

溶胶-凝胶法以金属醇盐或其化合物为质料,在酸性或碱性催化剂的作用下,停止水解缩聚反响,使溶液由溶胶变为凝胶。其制备进程是醇盐的水解与聚条约时反响的物理化学进程。

实行室应用溶胶-凝胶法制备硅溶胶普通因此正硅酸乙酯(TEOS)为先驱体,乙醇为溶剂,酸或碱为催化剂,DMF( N-N—二甲基甲酰胺)为添加剂,去离子水,按肯定比例混淆,在肯定温度下搅拌制得硅溶胶[5]。正硅酸乙酯在差别的水解条件下停止水解和缩合,失掉的产品有所差别。完全水解时天生二氧化硅和乙醇,不完全水解的状况下则有两头产品存在[5-12]。

硅溶胶反响进程:

(1)水解

正硅酸乙酯(TEOS)在水中的水解反响如式(1)所示[14-16]:

(C2H5O)3Si-O C2H5+H2O→(C2H5O)3 Si-OH+C2H5OH(1)

依据催化剂的差别,水解反响又可分为亲电性代替和亲核性代替,当酸作催化剂时发作亲电性代替,水解速率与H+成反比,详细代替进程如下:

在酸的催化条件下,H+起首防御正硅酸乙酯分子中的一个OR基团并使之质子化,形成电子云向该OR团体偏移,使硅原子核的另一正面清闲加大并呈亲电子性,因而,负电性较强的阴离子得以防御硅离子,使TEOS水解。

碱为催化剂时发作亲核性代替,其水解速率与OH-浓度成反比,详细进程如下:

OH-间接对硅原子发起亲核防御,并招致电子云向另一侧的OR基团偏移,致使该基团的Si-O键减弱而断裂,完成水解反响[17]。

(2)聚合

聚合分为脱水和脱醇两步反响:

脱水缩聚,如式(2)所示。

(C2H5O)3Si-OH+HO-Si(OC2H5)3→(C2H5O)3Si-O-Si(OC2H5)3+H2O(2)

脱醇缩聚,如式(3)所示。

(C2H5O)3Si-O-C2H5+HO-Si(OC2H5)3→(C2H5O)3Si-O-Si(OC2H5)3+ C2H5OH(3)

水解缩聚反响停止之后所失掉的溶胶只是开端构成了网络构造,网络交联不美满,存在不波动性,需在室温下静置一段工夫后放入70℃的去离子水中停止老化[18]。

2 波动性影响要素

硅溶胶是一种胶体,它具有胶体溶液的统统性子,包罗不波动性。通常以硅溶胶在肯定温度下不凝胶、波动存在的工夫是非为目标来评判硅溶胶波动性的优劣。凝胶工夫是指溶胶从配制完成到倾斜45°不活动所需求的工夫[19-20]。

溶胶的波动性决议于促使溶胶粒子互相聚结的粒子间互相吸引的能量和障碍其互相聚结的互相排挤的能量这两方面的总效应。凝胶时,体系得到聚结波动性,但微观上胶粒仍散布于三维空间,此时硅溶胶胶粒依托硅氧烷构成的化学键(Si-O-Si)相联合,连成极波动的空间网络构造[21-22]。

研讨标明,影响硅溶胶波动性的要素次要有温度、pH值、去离子水用量、乙醇用量、添加剂、催化剂品种、二氧化硅粒径等。

2.1 温度

少量实行研讨标明,随着反响温度的降低,溶胶的波动性低落。这是由于温度降低,物质的布朗活动加剧,添加了物质间互相碰撞的几率,水解和缩聚反响放慢,温度降低有利于水解反响的停止,使溶胶体系含有更多的交联点,减速了粒子在溶胶体系中的熟化,与此同时,温度的降低,使溶剂挥发放慢,缩聚反响发生的聚合物含量增大,促使进一步的凝胶进程停止,因此波动性低落。有研讨标明,在30℃及以下的温度制备硅溶胶较为适宜,均匀凝胶工夫随着温度降低而延长,而且当温度超越30℃时,溶胶波动工夫延长速率分明变快,波动性变差[23-24]。

2.2 pH值

正硅酸乙酯可在酸或碱的催化剂作用下发作水解和缩聚反响,依据催化剂的差别,溶胶分为酸性硅溶胶和碱性硅溶胶。硅溶胶的波动性与pH的干系如下图,在酸性情况中,在2<pH<4范畴内,存在一个亚稳区,为酸性硅溶胶的制备提供应了能够;在碱性情况中,随着pH的增大,硅溶胶的波动性逐步添加,pH为6.3时,溶胶波动性最差。依据胶体化学双电层实际,硅溶胶吸附层和严密层的电位差决议着胶体的波动性,随体系pH的变革,溶液中H+的浓度也在发作变革,溶液呈酸性或碱性时,溶胶粒子外表的强电荷使得粒子间发生静电斥力,溶胶具有较高的波动性,但当pH约为6.3时,严密层吸附层内的电性被完全饱和,电位降到最低,到达了等电点,胶粒双电层消逝,因而硅溶胶在该体系中极不波动[25-26]。

有文献报道,在酸性硅溶胶中,差别酸对二氧化硅溶胶波动性的影响巨细顺次为HAC>H2SO4>HCl>HNO3>HF[24]。

赵庆祥[27]经过实行发明,在酸性硅溶胶中,随pH值的增大,溶胶的波动性先逐步添加,随后坚持波动,最初再添加。这是由于,催化剂的添加是为了添加正硅酸乙酯的水解,当氢离子较多时,正硅酸乙酯都失掉了充沛的水解,使得每个原硅酸分子都可作为成核物质停止缩合,从而使溶胶波动性添加。

高建东等[28]对碱性催化剂作用下的水解缩合停止了研讨,发明碱性催化剂下停止的水解缩合,反响猛烈且随着反响的停止,体系越来越向酸性偏向停止,使得溶胶体系的波动性低落,其所得溶胶液无法失掉无效存储。

2.3 水用量

在制备二氧化硅溶胶的进程中,水既以溶剂的方式存在,又以反响物的方式存在。用水量对溶胶功能的影响次要经过水与TEOS的摩尔比n来定性判别,水量较少时,普通当摩尔比m≤7时,水次要作为反响物与正硅酸乙酯发作水解,体系的粘度较大,均匀凝胶工夫较短,溶胶的波动性较差;添加用水量,摩尔比m>7时水解更为充沛,有相称一局部水以溶剂的方式存在,溶胶体系的粘度降落,溶胶离子之间间隔增大,使缩聚反响几率变小;用水量持续增大,对溶胶的波动性影响变小[27-29]。

2.4 乙醇用量

在以正硅酸乙酯为质料制备硅溶胶的实验中,正硅酸乙酯在水中的溶解度不大,而在乙醇中的溶解度则要大的多,乙醇既可以溶于水,又可溶解正硅酸乙酯的性子使得整个反响可以在平均的液相中停止。普通研讨乙醇用量对硅溶胶功能的影响是经过乙醇与TEOS的摩尔比m来定性判别的,随着摩尔比m的添加,硅溶胶的凝胶工夫逐步延伸,波动性添加。

依据分散双电层实际,溶胶的介电常数与双电层厚度成反比,随着乙醇用量的添加,胶粒的介电常数增大,双电层厚度添加,溶胶波动性添加;同时,由于乙醇是正硅酸乙酯的水解产品,可克制水解反响的正向停止,最初,乙醇的参加使得溶液失掉浓缩,水解产品之间碰撞几率变小,低落了缩聚反响速率,几种作用综合,终极使溶胶的波动性添加[30-31]。

2.5 添加剂

在制备二氧化硅溶胶的实验中,常用的添加剂为N,N 一二甲基甲酰胺(DMF),随着DMF的添加,溶胶的波动性添加,这是由于,溶胶中的氢离子可以和DMF发作氢键作用,氢键的构成使得进入严密层的氢离子增加,从而招致胶团的电势添加,溶胶发作凝结的势垒也相应添加,进而招致溶胶的波动性降低。不只云云,DMF的参加还可以克制醇盐的水解,进步凝胶的缩聚速率,进步凝胶固含量。同时,DMF的参加也使得溶液失掉浓缩,进步溶胶波动性[29-32]。

2.6 SiO2粒径

二氧化硅粒径是影响硅溶胶波动性的一个紧张要素,二氧化硅胶粒的巨细和散布是硅溶胶质量上下的紧张目标,影响着产物的浓度、波动性。硅溶胶粒子直径在肯定范畴内,粒径越平均,粒径散布范畴越小,硅溶胶的波动性越好。许念强以为在酸性硅溶胶体系中,溶胶的粒径与波动性呈“S”型,如下图:

二氧化硅胶粒粒径较小时,溶胶的波动性比拟低,随着粒径的增大,均匀凝胶工夫延伸,波动性进步,在粒径为10~20nm之间时,硅溶胶的波动性与胶粒巨细类似成反比。这是由于粒径的增大使得硅溶胶外表的羟基团体活性低落,胶粒比外表积低落,吸附分子的才能也相应的削弱,从而使凝胶进程变缓[31]。

2.7 电解质

电解质对溶胶的波动性也有肯定的影响,由硅溶胶的胶勾结构可知,在酸性条件下,进入严密层的为H+,碱性条件下进入严密层的为金属离子。电解质中含有的离子可以吸附在溶胶胶团疏散层,使疏散层变薄,当电解质含量超越肯定限制后,疏散层为厚度零,胶粒固结化,波动性低落[31]。

许念强[26]等以为,在电解质盐浓度肯定时,硅溶胶的波动性随二氧化硅粒径的增大增大而削弱,当二氧化硅粒径较小时,电解质盐的浓度对波动性发生较大影响。当硅溶胶中的含盐量低落到肯定值时,电解质对溶胶波动性的影响可疏忽不计。

3 总结

硅溶胶的使用范例许多,关于硅溶胶的功能要求也不尽相反,而制备办法在很大水平上决议了硅溶胶的功能。现在,关于接纳溶胶—凝胶法制备硅溶胶还存在一系列的题目有待处理:

(1)硅溶胶波动性受许多要素影响,在制备硅溶胶进程中难以准确控制反响;

(2)硅溶胶的反响机理研讨还不敷零碎、深化,应深化研讨溶胶波动性的要素,创立溶胶波动化构造实际,为制备波动溶胶提供实际根据;

(3)反响原资料正硅酸四乙酯价钱偏高,并且在实行进程中需参加乙醇作为溶剂,本钱绝对较高;

(4)溶胶凝胶法制备的硅溶胶浓度范畴在10%~20%,浓渡过高硅溶胶产物易蜕变。

教诲期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献

[1]陈连喜,田华,叶春生,等.硅溶胶制备与使用研讨停顿[J].山西化工,2008(8):9-17.

[2]田立朋,孙道兴,王力.硅溶胶的制备及其在涂猜中的使用[J].上海涂料,2006(11):23-26.

[3]马纯超,郑典模,硅溶胶的制备与使用[J].无机硅化合物,2008:22-26.

[4]Gilliland J W, Yokoyama K, Yip W T. Comparative study of guest charge-charge interactions within silica sol-gel [J]. J Phys Chem B,2005(11):4816-4823.

[5]WANG Yu-young. HSIEH T-E.Preparation and properties of p. yacrylate/clay photo cured nanocomposite materials[J].Chem Mater,2005,17(13):333l-3337.

[6]PERCY M J,BARTHET C,LOBB J C,et a1.Synthesis and characterization of vinyl polymer-silica colloidal nanocomposites[J].Langmuir,2000.16(17):6913-6920.

[7]ZHANG Shengwen, ZHOU Shu xue.WENG Yuming,et a1.Synthesis of SiO2/polystyrene nanocomposite particles viaminiemulsion polymerization[J].Langmuir,2005,21(6):2124-2128.

[8]BOURGEAT-LAMI E, LANG J. Encapsulation of inorganic particles by dispersion polymerization in polar media (2):Effect of silica size and concentration on the morphology of silica-polystyrene composite particles[J].Journal of Colloid and interface Science,1999,210(2):281-289.

[9]LUNA-XAVIER J-L, BOURGEAT-I AM I E,GUYOT A. The role of initiation in the synthesis of silica/poly(methyl methacrylate) nanocomposite latex particles through emulsion polymerization[J].Colloid & Polymer Science,2001.279(10):947 958.

[10]I UNA-XAVIER J-L, GUY()T A, BOURGEAT-I AM I E.Preparation of nano—sized silica/poly(methyl methacrylate) composite latexes by heter0c0agulati0n:Comparison of three synthetic routes[J].Polymer International,2004, 53(5):609-6l7.

[11]SCHMID A,FUJII S,ARMES S P.Polystyrene silica nano-composite particles via alcoholic dispersion polymerization using a cationicazo initiator[J].Langmuir,2006,22(11):4923-4927.

[12]KAI ININAO. KU M ACH EVA E.A “core-shell” approach to producing 3D polymer nanocomposites[J].Macromoleculesl999,32(12):4l22-4l29.

[13]黄志良,陈巧巧,陈常连,等.酸性硅溶胶波动性的正交实验[J].武汉工程大学学报,2013(1):60-64.

[14]Guo Jian-jun, Liu Xue-hui, Cheng Yu-chuan. Size-controllable synthesis of mono-dispersed colloidal silica nano-particles via hydrolysis of elemental silicon [J].Journal of Colloid and Interface Science, 2008,326:138-142.

[15]Duan Qing-jiao, Zhang Jian, Tian Jia ,Silica nanorings on the surfaces of layered silicate[J]. Langmuir,2011,27(21):13212-13219.

[16]Won Bun Naa: Hyung Mi Lim: Soo Hyun Huh. Effect of the average particle size and the surface oxidation layer of silicon on thecolloidal silica particle through direct oxidation [J].Materials Science and Engineering,2009,163:82-87.

[17]张霞,矮小明.二氧化硅纳米粒子制备的工艺参数研讨[J].安徽师范大学学报,2008(5):257-261.

[18]PAN Q X,PAN H H,CHEN J H. Sol-Gel technology and preparation of nano sized materials[J].Mater Res,2001,15(12):40-42.

[19]Won Bun Naa ; Hyung Mi Lim; Soo Hyun Huh. Effect of the average particle size and the surface oxidation layer of silicon on the colloidal silica particle through direct oxidation[J].Materials Science and Engineering,2009,163:82-87.

[20]秦英,武鹏,吕毅军,等.硅溶胶的制备及其功能目标剖析[J].天津化工,2013(5):4-7.

[21]邱春阳,张克铮.二氧化硅溶胶波动性的研讨[J].辽宁煤油化工大学学报,2005(6):1-4.

[22]Wilhelm. The Physical chemistry of the silicate Chicago[M]. The University of Chicago Publishing House,1954:426.

[23]江云波,李小霞,张克铮.正交实验法研讨ZrO2/SiO2复合溶胶波动性[J].煤油化工初等学校学报,2010(12):64-67.

[24]杨靖,陈杰璐,等.二氧化硅溶胶的制备及功能影响研讨[J].硅化物文摘.

[25]朱慧仙,王力.酸性硅溶胶的制备、性子及其波动性研讨停顿[J].广东化工,2008,35(2):19-22.

[26]刘娟娟,王元政.硅溶胶波动功能的影响要素剖析[J].石化技能与使用,2009(9):421-423.

[27]赵庆祥,齐笑梅,等.SiO2无机涂抹液波动性的研讨[J].玻璃与珐琅,2013(10):1-5.

[28]高建东.无机富锌底漆固化剂影响要素的研讨[J].涂料产业,1998(3):11-13.

[29]王兴利,邱百姓,等.SiO2溶胶波动性的正交实验[J].辽宁煤油化工大学学报,2006(3):30-33.

[30]张丹,王世敏,等.硅溶胶波动性影响要素的研讨停顿[J].胶体与聚合物,2011(6):88-90.

[31]刘羽,吴东兵,等.Sol—Gel法二氧化硅溶胶的制备及波动性研讨[J].延安大学学报,2009(9):70-73.

[32]Schwartz R W, Voigt J A, Control of thin film processing behavior through precursor structural mcktifications[R]. US: department of energy,1998.

[责任编辑:汤静]

阅读次数:  更新工夫:2015-09-23 16:58:24
上一篇:浅谈自主学习形式在网络情况下的设计使用
下一篇:分光光度法测定纺织品中甲醛的不确定度评价
网友批评《硅溶胶的制备及其影响要素》
Top