一種鋁改性硅溶膠的制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及精細無機高分子化工技術活領域，具體涉及一種鋁改性硅溶膠的制備 方法。
【背景技術】
[0002] 硅溶膠又稱硅酸水溶液，是二氧化硅膠體微粒在水中均勻分散形成的膠體溶液， 粒子直徑一般在8-200nm之間，外觀為乳白色或者半透明膠狀液體，多呈堿性，少數(shù)呈酸 性。作為一種性能優(yōu)良的無機高分子材料，硅溶膠在化工、精密鑄造、紡織、造紙、涂料、食 品、電子、選礦等領域得到廣泛的應用。
[0003] 普通硅溶膠雖然有著很多優(yōu)異的性質(zhì)并得到廣泛應用，但隨著硅溶膠研宄和應用 的不斷深入，組成和結(jié)構(gòu)單一的硅溶膠已不能滿足一些特殊領域的應用，而改性硅溶膠恰 好能夠彌補普通硅溶膠的缺陷，拓展其應用范圍。如在熔模鑄造中利用高聚物改性硅溶膠 可以大大縮短層間干燥時間；在復合材料領域由于硅溶膠中SiO 2粒子表面帶有大量羥基， 與聚合物復合制備有機或無機復合材料時大多局限于水溶性涂料體系，而對于環(huán)氧樹脂、 丙烯酸酯預聚體等極性較小的體系則易出現(xiàn)團聚的現(xiàn)象，如果采用硅烷偶聯(lián)劑對硅溶膠進 行表面改性，然后進一步通過有機功能基團對其進行改性，則可以實現(xiàn)其在有機高分子基 體中的均勻分散；在涂料應用中利用PVAc乳液、PVA水溶液、丙烯酸醋共聚乳液等有機高 分子化合物改性硅溶膠可以使涂層的耐老化性大幅度提高，裝飾效果得到了改善，同時使 用壽命相應延長。
[0004] 目前，國內(nèi)外對硅溶膠改性的研宄主要包括有機高分子改性和金屬鹽改性。金屬 鹽改性硅溶膠的機理是，金屬離子進入膠體固定層，ζ電位下降，膠體水化層變薄，膠粒間 相互斥力有所減弱，從而達到降低硅溶膠膠凝濃度的目的。這些金屬鹽包括三價金屬鋁、 硼、絡、鎵、銦、銘鹽，以及四價鈦、錯、鍺、鋪、鉿、錫鹽等。
[0005] 鋁改性硅溶膠的研宄主要是利用鋁鹽如硝酸鋁、三氯化鋁、硫酸鋁等對其改性。利 用鋁鹽改性的主要方法是，首先用強酸性陽離子交換樹脂除去硅溶膠中過多的鈉離子，防 止改性時凝膠，然后向硅溶膠中加入一定量的鋁鹽進行改性。此種鋁鹽改性的硅溶膠穩(wěn)定 性不強，容易脫離吸附層，保質(zhì)期不長。
[0006] 鋁鹽改性的硅溶膠在熔模鑄造中有以下優(yōu)點：（1)漿料維護少。（2)濕強度高，型 殼殘留強度低，易清洗。（3)增加面層涂料的彈性與濕強度，減少或去除面層干燥過快及鑄 件結(jié)構(gòu)引起的裂殼、起皮等質(zhì)量問題。（4)Na 20%含量低。（5 )與鋯英粉形成的漿料，具有較 好的穩(wěn)定性。
[0007] 中國專利CN1544182A公開了一種鋁改性堿性硅溶膠。它含有二氧化硅20-32%， 氧化鋁0. 1-1. 5%、氧化鈉0. 03-0. 15%，其pH值為7. 5-9. 6,所述氧化鋁主要以鋁離子被硅 醇基吸附的形態(tài)存在。該發(fā)明通過在膠體中引入Al3+，A I3+被膠粒表面硅醇基吸附，而形 成-Si-O-Al結(jié)構(gòu)，使硅溶膠表面吸附的水分子減少，加快了型殼的干燥速度，縮短了熔模 鑄造制殼周期，提高了制殼與生產(chǎn)效率。同時，由于該發(fā)明的硅溶膠是堿性，符合熔模制造 廠家的使用習慣和使用的耐火材料的性能要求。
[0008] 目前鋁改性硅溶膠的一種制備方法是將金屬鋁鹽如硝酸鋁、三氯化鋁、硫酸鋁等 的水溶液直接加入到硅溶膠中而對其進行改性。由于硅溶膠膠體結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定性，其內(nèi) 部結(jié)構(gòu)為硅氧烷鍵（一Si-O-Si-)，因此外加的鋁離子只能附著在吸附層外部，同時吸附 能力也不大，多數(shù)鋁離子只能以離子形式分散在水中。
[0009] 鋁改性硅溶膠的另一種制備方法是先用金屬鋁鹽處理氫型陽離子交換樹脂，然后 再用該樹脂處理堿性鈉型硅溶膠。這種方法的缺點是一方面金屬鋁鹽不可能有效地與氫型 陽離子離子交換樹脂進行鋁離子和氫離子的交換，同時最后鋁離子型陽離子交換樹脂中鋁 離子與硅溶膠鈉離子的交換也同樣存在低效率的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 為了解決現(xiàn)有技術中的上述問題，本發(fā)明提供了一種鋁改性硅溶膠的制備方法。
[0011] 本發(fā)明提供的鋁改性硅溶膠的制備方法，是取NaOH，攪拌下加入到水中加熱溶解， 繼續(xù)升溫至90-10(TC，再加入Si粉和Al粉的混合物，反應5-8小時后冷至室溫，過濾，得到 清透或者乳白色溶膠。
[0012] 作為優(yōu)選方案，所述NaOH與水的質(zhì)量比為2. 0-3. 5:550。
[0013] 作為優(yōu)選方案，所述Si粉和Al粉的質(zhì)量比為28:0. 05-0. 5。
[0014] 作為優(yōu)選方案，所述NaOH、水、Si粉和Al粉的質(zhì)量比為 2. 0-3. 5:550:28:0. 0. 05-0. 5〇
[0015] 由以上任意一種方法制備獲得的鋁改性硅溶膠產(chǎn)品也在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
[0016] 本發(fā)明還可以將鋁改性硅溶膠通過減壓濃縮及超濾的方法去除分散介質(zhì)水，從而 提高二氧化硅及鋁含量。還可以通過陽離子交換樹脂降低鋁改性硅溶膠的PH值。
[0017] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果： 本發(fā)明選擇在硅粉里面摻雜少量的鋁粉的方法，利用金屬單質(zhì)溶解法一步合成鋁改性 硅溶膠。鋁粉和硅粉都是比較價廉易得的材料，通過硅粉和鋁粉與氫氧化鈉的反應生成，并 控制鋁的添加量，可以得到不同改性程度的鋁改性硅溶膠。該鋁改性硅溶膠中鋁在膠體粒 子形成過程中就可以發(fā)揮作用，能夠鍵合到硅氧烷鍵（一Si-0- Si-）結(jié)構(gòu)中，并能充分 有效地參與到硅溶膠吸附層甚至膠核的形成，而且鋁改性的程度可有效地加以控制。
[0018] 二氧化硅質(zhì)量分數(shù)同等條件下，高鋁含量的硅溶膠，粒徑在8-20nm，可以顯著縮 短熔模鑄造蠟膜型殼層間干燥時間，提高制殼與生產(chǎn)效率。低鋁含量的硅溶膠，粒徑在 50-200nm的區(qū)域內(nèi)，可以廣泛應用于拋光行業(yè)。
【具體實施方式】
[0019] 實施例1 取2. OOg NaOH，攪拌下加入到550mL H2O中加熱溶解，繼續(xù)升溫至90-100°C，再加入 28. OOg Si粉和0,1Og Al粉的混合物，反應5-8小時后冷至室溫，過濾，得到500g乳白色溶 膠。該鋁改性硅溶膠SiO2含量為12. 00%，pH值為10. 58,鋁含量為200ppm。
[0020] 實施例2 取3. OOg NaOH，攪拌下加入到550mL H2O中加熱溶解，繼續(xù)升溫至90-100