CN104860322B - 一种低钠离子含量高纯硅溶胶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种低钠离子含量高纯硅溶胶的制备方法，该方法包括：以工业硅酸钠和硫酸为原料，配制成3～6wt％的硅酸钠水溶液和20～30wt％的硫酸水溶液；将硅酸钠水溶液加入反应罐，在搅拌转速80‑150转/分下，升温至30‑40℃，加入硫酸水溶液至pH为1～2，升温至60～80℃保温3～4小时；然后加去离子水进行水洗至洗涤水电导率至20μs/cm以下；将水洗后的滤饼转入胶溶罐，加去离子水调整二氧化硅浓度8～10wt％，在搅拌速度80～100转/分下，搅拌20～30分钟，加入化学纯氨水调整料浆pH为9～10，升温至120～150℃并保温3‑4小时得到的硅溶胶，进行过滤得到澄清的硅溶胶溶液；最后进行浓缩制得的硅溶胶浓缩至浓度40～41wt％，钠离子含量小于0.01％。
Description
技术领域
本发明涉及硅溶胶的制备方法，更具体地说，涉及一种低钠离子含量高纯硅溶胶的制备方法。
背景技术
硅溶胶是二氧化硅的胶体微粒分散于水中的胶体溶液，为无定形SiO2粒子在水中形成的稳定分散体系。作为一种重要的无机高分子材料，硅溶胶已广泛应用于化工、精密铸造、纺织、造纸、涂料、食品、电子、选矿等领域。
由于普通硅溶胶钠离子含量过高，只能用于工业铸造等行业，而高纯度硅溶胶主要应用于半导体抛光、催化剂载体的制备、显像管粘合剂、玻璃纤维等行业，因此，开发一种工艺简单、成本低廉的高纯硅溶胶方法，对于硅溶胶的产业的升级换代显得尤为重要。
目前比较成熟的硅溶胶工业生产方法主要包括(1)离子交换法(2)单质硅一步水解法，其他工艺大多仍处于实验室研究阶段。两种生产方法的工艺简述如下：
(1)离子交换反应
首先将水玻璃用蒸馏水稀释，按一定流速通过阳离子交换树脂层，使水玻璃中Na+与阳离子交换树脂上的H+进行离子交换，并随时取样检查。此时，水玻璃中的Na+已被去除，H+与水玻璃中的SiO3 2-离子化合成具有活性的聚硅酸溶液稀液流出。离子交换反应式为
2RSiO3H+Na2O·nSiO2→2RSiO3Na+(nSiO2+H2O)
阳柱 硅溶胶
经离子交换后生成的聚硅溶液pH为2-3，需加入少量的稳定剂如Na0H溶液。并迅速搅使溶胶很快达到pH＝8.5-10.5，即溶液呈稳定状态的区域。
(2)单质硅溶解法
单质硅溶解法是近年来兴起的一种制备硅溶胶的新工艺，目前国内新上硅溶胶项目多采用此方法。制备理是：单质硅在碱的催化作用下，与水反应，生成水合硅酸，水合硅酸在水中逐渐聚合，由单体自行脱水渐渐聚合成二元体、三元体乃至多元体，即成为水合硅酸的水溶液，就是硅溶胶。
单质硅溶解工艺制备硅溶胶的流程如图1所示,用去离子水作为溶解介质，将纯硅粉加入其中，加人适量碱催化剂，然后将整个溶解装置进行加热，反应后即可得硅溶胶成品。
为了制备出高纯度的硅溶胶专利CN1155514A公开了“高纯度、高浓度、高均匀颗粒分布的大颗粒二氧化硅溶胶的制造方法”该方法，利用两次离子交换，并加入硫酸、草酸除杂。最后经过氨离子交换，制备成氨稳定的硅溶胶，虽然利用该方法能够制备出高纯的硅溶胶,但工艺流程长，反复进行离子交换，成本高，专利CN1064878A公开了“高纯超细硅溶胶的的制备方法”该发明将叔胺与环氧烷烃反应生成有机碱，在碱性条件下，水解正硅酸乙酯，形成硅溶胶。利用该方法主要是制备电子显像管用的高纯硅溶胶。专利EP0504467A1公开了“一种高纯硅溶胶的制备方法”其利用硅酸钠为原料通过以下步骤制备高纯硅溶胶：
1)稀硅酸盐溶液用阳离子交换树脂交换得到酸性硅酸；
2)加强酸，硫酸、硝酸、草酸陈化；
3)再经阴阳离子树脂交换，进一步除离子；
4)取部分用钾、钠碱稳定作为底液；
5)底液加热并在碱稳定下加入活性硅酸，使颗粒生长，并在沸腾下蒸发出水量和加入的活性硅酸量相等；
6)再经阴阳离子交换除掉碱稳定引入的金属离子；
7)搅拌下加氨实现稳定化制得硅溶胶。
在上述几篇专利文献中为了得到高纯度的硅溶胶，往往需要经过几次离子交换，树脂需要反复的再生，浪费了大量的人力、物力，造成环境污染。
发明内容：
针对目前硅溶胶的生产高纯硅溶胶方法的不足，降低污染、减少生产成本，我们发明了一种低钠离子含量的高纯硅溶胶的生产法，利用该方法，原料易得、工艺简单，易于工业化。
本发明采用工业硅酸钠为原料，利用凝胶-胶溶方法制备出分布窄、钠离子含量低的高纯硅溶胶。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种低钠离子含量高纯硅溶胶的制备方法，该方法包括如下步骤：
1)配料：将模数为3.3～3.4的工业硅酸钠加水配制成3～6wt％的硅酸钠水溶液，工业硫酸加水配制成20～30wt％的硫酸水溶液；
2)凝胶制备：将步骤1)配制的硅酸钠水溶液加入反应罐，保持搅拌速度80～150转/分，升温至30～40℃，以200～300ml/min的速度加入步骤1)配制的硫酸水溶液至pH为1～2，升温至60～80℃保温3～4小时得到凝胶；
3)水洗：将步骤2)制备得到的凝胶加入抽滤罐、加电导率在2～5μs/cm的去离子水进行水洗，水洗至洗涤水电导率至50μs/cm以下为止；
4)胶溶：将步骤3)水洗得到的滤饼转入胶溶罐，加去离子水调整二氧化硅浓度至8-10wt％，在搅拌速度80～100转/分下搅拌20～30分钟，加入化学纯氨水调整料浆pH至9～10，升温至120～150℃并保温3～4小时；
5)过滤：将步骤4)得到的产物，进行过滤除掉没反应的凝胶得到澄清的硅溶胶溶液；
6)浓缩：将步骤5)制得的硅溶胶溶液浓缩至浓度40～41wt％，钠离子含量小于0.01wt％。
本发明方法与现有技术相比，具有操作简单，易于工业化的特点，并且采用本发明方法制备得到硅溶胶具有钠离子含量低、硅溶胶的浓度高的优点。
附图说明
图1是单质硅溶解工艺制备硅溶胶的流程图。
具体实施方式：
为了使本发明方法更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
实施例1.
1、配料：配制3wt％的硅酸钠水溶液1000克，配制硫酸30wt％的水溶液若干备用；
2、凝胶制备：将配制的硅酸钠水溶液1000克加入反应罐，保持搅拌速度80转/分，升温至40℃，以300ml/min的加料速度加入配制好的硫酸水溶液至pH为1～2，升温至80℃保温3小时；
3、水洗：将上述凝胶加入抽滤罐、用去离子水进行水洗(去离子水电导率保持在2～5μs/cm)；水洗至洗涤水电导率至20μs/cm以下；
4、胶溶：将水洗后的滤饼转入胶溶罐，加去离子水调整二氧化硅浓度8％，在搅拌速度80转/分下搅拌30分钟，加入化学纯氨水调整料浆至pH为9～10，升温至120℃并保温4小时；
5、过滤：将步骤4)得到的产物，进行过滤除掉没反应的凝胶得到澄清的硅溶胶溶液。
6浓缩：将制得的硅溶胶溶液浓缩至40wt％，钠离子含量0.0087wt％。
实施例2.
1、配料：配制4wt％的硅酸钠水溶液1000克，配制硫酸30wt％的水溶液若干备用；
2、凝胶制备：将配制的硅酸钠水溶液1000克加入反应罐，保持搅拌速度90转/分，升温至40℃，以300ml/min的加料速度加入配制好的硫酸水溶液至pH为1～2，升温至70℃保温3小时。
3、水洗：将上述凝胶加入抽滤罐、用去离子水进行水洗(去离子水电导率保持在2～5μs/cm)；水洗至洗涤水电导率至20μs/cm以下。
4、胶溶：将水洗后的滤饼转入胶溶罐，加去离子水调整二氧化硅浓度8wt％，在搅拌速度80转/分下搅拌20分钟，加入化学纯氨水调整料浆至pH9～10.升温至130℃并保温4小时形成硅溶胶；
5、过滤：将得到的硅溶胶，进行过滤除掉没反应的凝胶得到澄清的硅溶胶溶液；
6浓缩：将制得的硅溶胶浓缩至浓度40.5wt％，钠离子含量0.009wt％。
实施例3.
1、配料：配制5wt％的硅酸钠水溶液1000克，配制硫酸30wt％的水溶液若干备用；
2、凝胶制备：将配制的5wt％的硅酸钠水溶液1000克加入反应罐，保持搅拌速度100转/分，升温至30℃，以200ml/min的速度加入配制好的硫酸水溶液至pH为1～2，升温至70℃保温3小时；
3、水洗：将上述凝胶加入抽滤罐、用去离子水进行水洗(去离子水电导率保持在2～5μs/cm)，水洗至洗涤水电导率至20μs/cm以下；
4、胶溶：将水洗后的滤饼转入胶溶罐，加去离子水调整二氧化硅浓度9wt％，在搅拌速度90转/分下搅拌20分钟，加入化学纯氨水调整料浆至pH9～10.升温至150℃并保温3小时形成硅溶胶；
5、过滤：将得到的硅溶胶，进行过滤除掉没反应完的凝胶得到澄清的硅溶胶溶液；
6浓缩：将制得的硅溶胶浓缩至浓度40.2wt％，钠离子含量0.006wt％。
实施例4.
1、配料：配制6wt％的硅酸钠水溶液1000克，配制硫酸20wt％的水溶液若干备用；
2、凝胶制备：将配制的6wt％的硅酸钠水溶液1000克加入反应罐，保持搅拌速度150转/分，升温至30℃，以200ml/min的速度加入配制好的硫酸水溶液至pH为1～2，升温至60℃保温3小时。
3、水洗：将上述凝胶加入抽滤罐、用去离子水进行水洗(去离子水电导率保持在2～5μs/cm)。水洗至洗涤水电导率至50μs/cm以下。
4、胶溶：将水洗后的滤饼转入胶溶罐，加去离子水调整二氧化硅浓度9wt％，在搅拌速度100转/分下搅拌30分钟，加入化学纯氨水调整料浆至pH为9～10，升温至150℃并保温4小时。
5、过滤：将得到的硅溶胶，进行过滤除掉没反应完的凝胶得到澄清的硅溶胶溶液。
6浓缩：将制得的硅溶胶浓缩至浓度40wt％，钠离子含量0.005wt％。
Claims (1)
1.一种低钠离子含量高纯硅溶胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)凝胶制备：将3~6wt%的硅酸钠水溶液加入反应罐，保持搅拌速度80~150转/分，升温至30~40℃，以200~300ml/min的速度加入20~30wt%的硫酸水溶液至pH为1~2，升温至60~80℃保温3~4小时得到凝胶；
2)水洗：将步骤1）制备得到的凝胶加入抽滤罐、加电导率在2~5µs/cm的去离子水进行水洗，水洗至洗涤水电导率至50µs/cm以下为止；
3)胶溶：将步骤2）水洗得到的滤饼转入胶溶罐，加去离子水调整二氧化硅浓度至8-10wt%，在搅拌速度80~100转/分下搅拌20~30分钟，加入化学纯氨水调整料浆pH至9~10，升温至120~150℃并保温3~4小时；
4)过滤：将步骤3）得到的产物，进行过滤除掉没反应的凝胶得到澄清的硅溶胶溶液；
5)浓缩：将步骤4)制得的硅溶胶浓缩至浓度为40~41wt%，钠离子含量小于0.01wt%。
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