硅溶胶

硅溶胶

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硅溶胶又称硅酸水溶液，是水化的二氧化硅的威力分散于水中的胶体溶液，是一个热力学不稳定体系。其胶粒一般在1~100nm范围内，工业上用得最多的是粒径为10~20nm，并加有少量稳定剂的水溶液。硅溶胶的体系甚为复杂，形成机理尚未完全弄清。有实用意义的硅溶胶浓度一般是SiO2浓度（W%）≥10%，商品硅溶胶一般是30%~40%。所以这里所指的硅溶胶即是指SiO2浓度（W%）≥10%的高浓度硅溶胶。

从硅溶胶所表现出的PH值不同，硅溶胶又分为碱性硅溶胶和酸性硅溶胶，他们都是重要的而精细化工产品，具有不同的重要用途：如碱性硅溶胶在静谧铸造，外墙涂料等领域应用；酸性硅溶胶在彩色显像管，胶体铅酸蓄电池，及从国内引进的经典植绒技术上应用等。

我国生产硅溶胶开始于50年代，在过去的30多年中，世界发达国家硅溶胶的生产已有了长足的进步，现已能制得系列硅溶胶产品，最高浓度（SiO2）达60%。我国的情况虽也有了较大进步，但在研制和生产中，不论品种，数量和质量，还处于落后状态，应用开发更需要加倍努力。

1. 硅溶胶的性质

硅溶胶具有许多优良的特性，例如具有较大的比表面积，较高的吸附性与粘结性，高温下的耐热性和绝缘性以及催化活性等。从而使它成为日益隐忍注目的精细化工产品，有着广阔的应用前景。

（1） 粒子性 硅酸在水溶液中的最主要特性是自聚合作用，即单硅酸

→低聚硅酸→高聚硅酸，当pH值=7~10，无盐存在时，它可以聚合成为硅溶胶；在pH值<7或pH值=7~10，有盐存在时，它可以凝结成为硅凝胶。如图7-4所示。

在通常制备硅溶胶的条件下，如由里子交换法制得的稀硅酸溶液，胶乳了足够的碱，将其pH值调到9~10，可得到球形的聚硅酸胶粒。其反应式为：

用高倍显微镜观察，一般可以看到硅溶胶中均匀分散的粒径≥5nm的胶粒。这些胶粒能够在较长时间内（一般一年以上）不沉淀，不凝聚，几乎始终白痴溶胶状态。

（2） 胶粒的电性与溶胶的稳定性

硅溶胶是含大量的水化SiO2粒

子的分散体系，它的最爱特征是具有巨大的表面自由能。根据最小自由能原理，贮存着大量自由能的体系，是一个热力学不稳定体系，胶粒会自动聚结为大颗粒。但是，实际上硅溶胶还是可以保持相当长的时间，通常一年以上，甚至几年，不凝聚，不沉淀，始终保持溶胶状态。其原因就是由胶粒的电性所决定的。 图7-5表示了硅溶胶的胶团结构及双电层示意图。硅溶胶的胶团中心是胶核，它是由成千上万个SiO2分子组成的紧密聚合体。胶核不溶于水，它可以从周围水溶液中有选择性地吸附某种粒子，而反粒子则部分密聚在吸附层内，另一部分以扩散层形式分布在水中。吸附层内的反离子由于受到胶核的静电吸引，当胶核运动时，这些反离子莲蓉吸附层内的水分子将一起移动。胶核和吸附

层所构成的粒子成为胶粒，胶粒是负电性的，胶粒和它周围的扩散层所组成的教团则是电中性的。

硅溶胶的文明行主要决定于胶粒的电性。但是，实际上情况是相当复杂的，因为稳定性受两个主要因素——胶粒间的吸引位能和胶粒间的排斥位能综合效应的结果所决定。即当粒子间距较大，其双电层未重叠时候，离子键的吸引力是远程作用的范德华阴历（与距离H的二次方成反比）。当粒子靠近到一定距离以致双电层重叠时，则排斥力将起主要作用，如果双电层的电荷足够多，则排斥力始终会起主要作用，阻止胶粒的聚结。显然，胶粒要互相聚结在一起，必须克服一定的“势垒”，这个势垒就是吸引能和排斥能的总效应。另外，胶粒还处在不停顿的无规则的运动（即布朗运动）之中，这种运动使胶粒的平均动能为3/2kT。正常情况下，胶粒的动能是小于势垒的，所以也不能使其相互聚结。假若由于某些原因：改变溶胶的PH值，或加电解质NaCl等，使得静电斥力位能减小，排斥势垒下降或消失，胶粒动能冲破势垒屏障，胶粒就会因碰撞而聚结。

综上分析，在溶胶系统中，聚结的倾向总是大于分散的倾向，稳定剂的存在虽然能使溶胶获得相对的稳定，但不能根本的改变溶胶的热力学稳定，分散度易变的特性，更简言之，溶胶系统的稳定是暂时的，聚结是绝对的。

（3） 胶凝及其影响因素

所谓胶凝就是硅溶胶粒子间互相联结，

在整个容积内形成网状支架结构，将水溶液包含在内而失去流动