一種二氧化硅水溶膠及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種二氧化硅水溶膠的制備方法，該方法包括以下步驟：S1、將有機(jī)硅酸酯和水在酸性催化劑的作用下反應(yīng)生成酸性二氧化硅水溶膠，二氧化硅水溶膠中二氧化硅的質(zhì)量為二氧化硅水溶膠總質(zhì)量的0.001-0.1wt%，然后加入堿液調(diào)節(jié)pH值為8-11；S2、加熱攪拌步驟S1中的二氧化硅水溶膠，然后向其中滴加有機(jī)硅酸酯，有機(jī)硅酸酯完全水解后，得到本發(fā)明的二氧化硅水溶膠。本發(fā)明還提供了由該方法制備得到的二氧化硅水溶膠和該二氧化硅水溶膠在水性涂料中的應(yīng)用。本發(fā)明的二氧化硅水溶膠的制備方法以有機(jī)硅酸酯和水為原料，具有廉價(jià)易得的特點(diǎn)，且生產(chǎn)過程不需要昂貴的設(shè)備。對(duì)環(huán)境無污染，有很好的成膜性能。
【專利說明】一種二氧化硅水溶膠及其制備方法和應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于納米材料領(lǐng)域，尤其涉及一中二氧化硅水溶膠及其制備方法和應(yīng)用。

【背景技術(shù)】
[0002] 硅溶膠是無定型二氧化硅聚集顆粒在水中均勻分散形成的膠體溶液。作為一種重 要的無機(jī)高分子材料，已廣泛應(yīng)用于化工、精密鑄造、紡織、造紙、材料、涂料及電子領(lǐng)域。
[0003] 在現(xiàn)有技術(shù)中，制備二氧化硅水溶膠的方法主有以下幾種： 一、以美國(guó)杜邦公司和納爾科公司為代表的離子樹脂交換法，該法以水玻璃為原料，經(jīng) 離子交換反應(yīng)、晶種的制備、晶體的長(zhǎng)大、濃縮步驟和純化步驟制備出不同規(guī)格溶膠產(chǎn)品。 該法的主要缺點(diǎn)是能耗大，且在生產(chǎn)硅溶膠時(shí)，需要用大量的離子交換樹脂去將硅酸鹽轉(zhuǎn) 化為硅酸，使用后的樹脂還需用大量的酸、堿和純水去清洗再生，從而產(chǎn)生大量的廢液，造 成環(huán)境污染。
[0004] 二、Stober法生產(chǎn)硅溶膠，該方法是將具有水解性的有機(jī)硅醇鹽進(jìn)行水解。由于 水與有機(jī)硅醇鹽不互溶，因此需要加入乙醇、丙醇等有機(jī)共溶劑，才使水解反應(yīng)可控，得到 粒度均勻的硅溶膠。為了得到水性硅溶膠，該方法還需經(jīng)過加熱蒸發(fā)或通過溶劑置換等步 驟。該方法的主要缺點(diǎn)有原料成本高、大量的有機(jī)溶劑污染等。
[0005] 三、二氧化硅分散法，該法是直接將二氧化硅粉末通過機(jī)械的方法分散在水中。該 法目前僅在實(shí)驗(yàn)室中研究，其主要缺點(diǎn)有：受限于二氧化硅粉末粒徑的大小，制備出的硅溶 膠粒徑不可能大于二氧化硅粉末原料的粒徑；由于僅僅是簡(jiǎn)單的物理分散，容易使分散顆 粒重新團(tuán)聚，分散得到的硅溶膠穩(wěn)定性也不好。
[0006] 四、單質(zhì)硅粉溶解法，該法制備硅溶膠的流程為：原料的選擇；催化加熱溶解；蒸 發(fā)去水；收集硅溶膠成品。其中原料的選擇根據(jù)需要可選用純度較高的單質(zhì)純硅，也可直接 采用工業(yè)用單質(zhì)純硅。催化加熱溶解過程為將單質(zhì)純硅置于軟水溶解介質(zhì)中，加入適量催 化劑，并將整個(gè)溶解裝置進(jìn)行加熱，反應(yīng)后可得硅溶膠稀成品。將上述制成品經(jīng)蒸發(fā)去水、 分離催化劑后可得硅溶膠成品。單質(zhì)硅一步溶解法的特點(diǎn)是通過原料純硅的選擇，克服離 子交換法中原料水玻璃雜質(zhì)對(duì)硅溶膠品質(zhì)的不利影響，是一種具有研究、開發(fā)價(jià)值的硅溶 膠制備方法。但該法最大的缺點(diǎn)是硅粉轉(zhuǎn)化率過低，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，從而提高了生產(chǎn)成本和周 期。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明為解決現(xiàn)有的二氧化硅水溶膠的制備方法存在過程復(fù)雜、成本高、成膜性 能差的技術(shù)問題，提供一種方法簡(jiǎn)單、成本低、成膜性能好的二氧化硅水溶膠的制備方法和 有該方法制備得到的二氧化硅水溶膠及該二氧化硅水溶膠的應(yīng)用。
[0008] 本發(fā)明提供了一種二氧化硅水溶膠的制備方法，該方法包括以下步驟： S1、將有機(jī)硅酸酯和水在酸性催化劑的作用下反應(yīng)生成酸性二氧化硅水溶膠，二氧化 硅水溶膠中二氧化硅的質(zhì)量為二氧化硅水溶膠總質(zhì)量的0. 001-0. lwt%，然后加入堿液調(diào)節(jié) pH 值為 8-11 ; S2、加熱攪拌步驟SI中的二氧化硅水溶膠，然后向其中滴加有機(jī)硅酸酯，有機(jī)硅酸酯 完全水解后，得到本發(fā)明的二氧化硅水溶膠。
[0009] 本發(fā)明的二氧化硅水溶膠的制備方法中，與現(xiàn)有方法相比，本方法以有機(jī)硅酸酯 和水為原料，具有廉價(jià)易得的特點(diǎn)，且生產(chǎn)過程不需要昂貴的設(shè)備。另外，由于生產(chǎn)過程中 不需要有機(jī)溶劑，對(duì)環(huán)境無污染。
[0010] 本發(fā)明還提供了一種二氧化硅水溶膠，該二氧化硅水溶膠由本發(fā)明所述的方法制 備得到。
[0011] 本發(fā)明還提供了該二氧化硅水溶膠在水性涂料中的應(yīng)用。
[0012] 本發(fā)明的二氧化硅水溶膠有很好的成膜性能。

【具體實(shí)施方式】
[0013] 為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合 實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋 本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0014] 本發(fā)明提供了 一種二氧化硅水溶膠的制備方法， 該方法包括以下步驟： 51、 將有機(jī)硅酸酯和水在酸性催化劑的作用下反應(yīng)生成酸性二氧化硅水溶膠，二氧化 硅水溶膠中二氧化硅的質(zhì)量為二氧化硅水溶膠總質(zhì)量的0. 001-0. lwt%，然后加入堿液調(diào)節(jié) PH 值為 8-11 ; 52、 加熱攪拌步驟Sl中的二氧化硅水溶膠，然后向其中滴加有機(jī)硅酸酯，有機(jī)硅酸酯 完全水解后，得到本發(fā)明的二氧化硅水溶膠。
[0015] 有機(jī)硅酸酯和水在酸性條件下不斷進(jìn)行反應(yīng)，最終Si-R鍵變成了 Si-〇H。Si-OH 鍵之間再進(jìn)行一定程度的縮聚反應(yīng)，得到-Si-O-Si-的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)，側(cè)鏈分布有-OH基團(tuán)。如 果不加以控制，這些-OH基團(tuán)在室溫下也可以不斷的縮聚，從而形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致凝 膠。本發(fā)明中加堿液調(diào)節(jié)PH值到堿性狀態(tài)，可以抑制鏈狀結(jié)構(gòu)的縮聚，使溶膠長(zhǎng)期穩(wěn)定，為 了使鏈狀結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度較短，酸性二氧化硅溶膠不能存放過久。而在堿性狀態(tài)下，-OH基團(tuán)較 為穩(wěn)定，它們與水分子形成了水合狀態(tài)，使鏈狀結(jié)構(gòu)卷曲成團(tuán)狀，而使-OH基團(tuán)朝外。
[0016] 有機(jī)硅酸酯和水在酸性條件下的反應(yīng)過程如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種二氧化硅水溶膠的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟： 51、 將有機(jī)硅酸酯和水在酸性催化劑的作用下反應(yīng)生成酸性二氧化硅水溶膠，二氧化 硅水溶膠中二氧化硅的質(zhì)量為二氧化硅水溶膠總質(zhì)量的0. 001-0. lwt%，然后加入堿液調(diào)節(jié) pH 值為 8-11 ; 52、 加熱攪拌步驟S1中的二氧化硅水溶膠，然后向其中滴加有機(jī)硅酸酯，有機(jī)硅酸酯 完全水解后，得到本發(fā)明的二氧化硅水溶膠。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化硅水溶膠的制備方法，其特征在于，步驟S1包括先反 應(yīng)生成的二氧化硅水溶膠濃縮液，所述濃縮液中二氧化硅的質(zhì)量為二氧化硅水溶膠濃縮液 總質(zhì)量的l-l〇wt% ;然后向其中加入去離子水進(jìn)行稀釋得到二氧化硅水溶膠，所述二氧化 硅水溶膠中二氧化硅的質(zhì)量為二氧化硅水溶膠總質(zhì)量的0. 001-0. lwt%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化硅的制備方法，其特征在于，所述步驟S2中加入的有 機(jī)硅酸酯的質(zhì)量為步驟S1中得到的二氧化硅水溶膠的總質(zhì)量的5-50wt%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的二氧化硅的制備方法，其特征在于，所述步驟S2中加入的有 機(jī)硅酸酯的質(zhì)量為步驟S1中得到的二氧化硅水溶膠的總質(zhì)量的7-18wt%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化硅的制備方法，其特征在于，所述堿液為氨水、氫氧化 鈉和氫氧化鉀中的至少一種。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化硅水溶膠的制備方法，其特征在于，所述有機(jī)硅酸酯 為正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、乙烯基三乙氧基硅氧烷、甲基三乙氧基硅烷和乙基三甲氧基硅 烷中的至少一種。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化硅水溶膠的制備方法，其特征在于，所述酸性催化劑 為硝酸、鹽酸和硫酸中的至少一種。
8. -種二氧化硅水溶膠，其特征在于，所述二氧化硅水溶膠由權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng) 所述的方法制備得到。
9. 一種權(quán)利要求8所述的二氧化硅水溶膠的用途，其特征在于，用于水性涂料中。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的二氧化硅水溶膠用途，其特征在于，以所述水性涂料的總質(zhì) 量為基準(zhǔn)，所述二氧化硅水溶膠的固含量為0. 5-5wt%。
【文檔編號(hào)】C01B33/141GK104418335SQ201310374333
【公開日】2015年3月18日 申請(qǐng)日期:2013年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月26日
【發(fā)明者】黎憲寬, 周維, 孫永亮 申請(qǐng)人:比亞迪股份有限公司