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硅溶胶的研究现状与应用探讨

发表时间：2021/4/15 来源：《基层建设》2020年第32期作者：孙海东1 蒋鑫2

[导读] 摘要：硅溶胶是纳米级二氧化硅颗粒在水中或其他溶剂中的分散液，它在化工行业中也被称为硅酸溶胶。

        1身份证号码：33068119860430xxxx；2身份证号码：33072419940914xxxx
        摘要：硅溶胶是纳米级二氧化硅颗粒在水中或其他溶剂中的分散液，它在化工行业中也被称为硅酸溶胶。硅溶胶中的二氧化硅以胶团形态均匀分散在水或有机溶剂中，外观颜色一般为淡青透明或者乳白色。长期以来，众多的科研人员对硅溶胶的制备、硅溶胶在工农业生产各领域中的应用等方面开展了广泛的研究。本文结合浙江帝耐美环保科技有限公司实际生产现状，分析了硅溶胶的制备方法、性能与应用领域，并对硅溶胶的发展前景进行了展望。
        关键词：硅溶胶；制备工艺；应用
        随着人们对硅溶胶研究的深入，硅溶胶种类及应用有了许多新的发展。本文从二氧化硅现有的制备方法和性能出发，查阅各方资料，总结了工业上硅溶胶的制备方法以及在各个领域的应用，并且对硅溶胶的发展进行的展望。
        1 硅溶胶的制备工艺
        1.1 硅粉水解法
        硅粉水解法是以工业硅粉为原料，在催化剂催化作用下加热，单质硅直接水解得到产品，未反应的硅粉通过压滤机过滤，得到最终产品。该方法制备工艺简单，设备要求低，污水排放量较少，成品中杂质含量少，产品指标易控制，但是原料成本高，产品收率较低，且生产过程中会产生氢气、一氧化碳等易燃易爆气体，此外用该法制备的硅溶胶通常颗粒间的界面不清晰，形貌为非球形且无法控制，通常只是被大量使用在铸造等行业，而在精密抛光等要求更高的领域无大建树。
        1.2 离子交换法
        工业上的离子交换法通常是以水玻璃为原料，经离子交换反应、硅溶胶胶粒增长反应、超滤浓缩等步骤制备出不同规格硅溶胶产品。该方法是将一定质量浓度的水玻璃在阳离子交换树脂中进行离子交换反应，去除水玻璃中的钠等金属阳离子杂质，制得聚硅酸溶液。将聚硅酸溶液用适量的烧碱或其他试剂作为稳定剂进行稳定化处理，将上步制得的溶液加热并保温静置一段时间，在溶液中逐渐形成晶核，用含晶核的溶液作为晶核长大的母液。在母液中以一定速率滴加聚硅酸溶液，控制滴加速率，加入的聚硅酸溶液中的被母液中的晶核表面吸合，有规则地生长在母液中的晶核上，制得胶粒粒径大小适宜，分布均匀的硅溶胶成品。完成结晶过程的硅溶胶所含含量较低，要采用超滤浓缩处理以提高硅溶胶中的百分含量。
        2 硅溶胶在地面材料中的实际应用
        2.1硅溶胶改性超细水泥灌浆材料pH研究
        由于高放废物深地质处置工程中，膨润土作为屏蔽核素的重要一环，长期处于pH高于11的状况下，会受侵蚀破坏，从而导致阻止核素迁移的功能被削弱。所以该灌浆材料体系的pH必须小于11。而超细水泥水化会生成非常多的Ca（OH）2，而Ca（OH）2的饱和溶液pH=13，如果任由其存在而不做处理，会导致整个体系的pH值远大于11。所以本研究采取往灌浆材料中掺入纳米硅溶胶反应掉水化所生成的Ca（OH）2的方式来把整个体系的pH值控制在合理的范围内。由于本研究所采用的其他外加剂和掺合料对pH的影响较纳米硅溶胶相对较小可忽略不计。所以对其pH做研究时仅仅考虑纳米硅溶较的影响。取水化龄期90d的超细水泥灌浆材料的净浆结石块，将其在研钵中磨成粉末后制成稳定的悬浮液，再取其上清液测量其pH。硅溶胶对超细水泥灌浆材料pH的影响如图1所示。如图分别是掺入了0%、5%、10%、15%、20%、25%纳米硅溶胶的试样。由其水化90d后试样测得pH值可知，硅溶胶的掺入确实反应掉了一部分Ca（OH）2，从而使体系的pH不断降低。其中掺量为10%时的pH=11.3，而掺量为15%时，pH=10.5。显然当往超细水泥浆液中添加15%的硅溶胶时，pH值已经满足了本研究的基本要求。结果表明，当往超细水泥灌浆料体系中添加质量分数为15%以上的纳米硅溶胶时，体系的pH已经达到了本研究的工程要求了。

        图1 硅溶胶对超细水泥灌浆材料pH的影响
        2.2 水灰比对超细水泥灌浆材料流变性能的影响
        前文叙述过由于高放废物深地质处置用超细水泥灌浆材料需要非常好的流动性，以便浆液顺利灌入到细微裂隙中。而超细水泥的颗粒粒径相对于一般水泥要小得多，其比表面积大很多，则其颗粒表面活性高，在水化时需要大量的水。所以该体系一般需采用很高的水灰比才能满足对流动度的要求。粘度与水灰比的关系如图2所示。由图可看出，小水灰比条件下，超细硅酸盐水泥浆液粘度相当大，难以满足灌浆要求，但随着水灰比逐渐加大，浆液粘度降低明显，当水灰比从0.6加大到0.8时，粘度降低了45.1%；从0.8增到1.0时，粘度更是降低了87.1%，但是水灰比比较大时，例如从1.0增加到1.2时，粘度仅仅降低了13.5%，由此说明加大水灰比是可以在很大程度上减小灌浆材料粘度的。当水灰比小于1时，加大水灰比，则粘度增长幅度很大，当水灰比大于1以后，浆体的粘度虽然会继续减小，但是变化的幅度却很有限。这是因为当水灰比逐渐增大时，浆体的水分子增多，一部分有取向性的水分子会附着在水泥颗粒表面，其他则为自由水分子，随着自由水分子数量的增加，浆体的粘度就会逐渐减小。考虑到虽然水灰比越大，粘度越低，但是过大的水灰比会造成浆体析水严重，甚至导致分层离析，降低了浆体的稳定性，所以综合考虑两方面影响，优选水灰比为1：1。在后续探讨其他性能指标的实验中，如无特殊说明皆选用水灰比1：1。

        图2 水灰比对超细硅酸盐水泥灌浆材料粘度的影响
        2.3 硅溶胶对超细水泥灌浆材料流变性能的影响
        由于纳米硅溶胶是本研究将灌浆材料体系pH控制在合理范围的主要外加剂，但在控制体系pH的同时，也要综合考虑其对灌浆材料的流变性能、力学性能的影响。硅溶胶对超细水泥灌浆材料流变性能的影响入图3所示。由图3可见，纳米硅溶胶的掺入，导致超细水泥灌浆材料的粘度明显上升，即硅溶胶严重降低了灌浆材料的流动度，且随着硅溶胶添加量的增加，灌浆材料的粘度持续升高。这是因为添加纳米硅溶胶后，水泥浆体中会出现非常显著的团聚现象。出现这种情况的机理是由于超细水泥颗粒与水接触后迅速溶解和水化，引起了浆体中的离子强度迅速增大，从而导致了硅溶胶絮凝或凝胶化，大大的影响了灌浆液的流变性能。综合前文纳米硅溶胶对超细水泥灌浆材料体系pH的影响，应优选硅溶胶掺量15%为最佳配比。

        图3 硅溶胶对超细硅酸盐水泥灌浆材料粘度的影响
        2.4 减水剂对超细水泥灌浆材料流变性能的影响
        由于超细硅酸盐水泥的颗粒直径小，颗粒的活性相对一般水泥要高得多。类似条件下，想获得相当的流动度就必须采用大水灰比的体系，但考虑到灌浆夜的稳定性，又不可以无限制的加大水灰比。再加上本研究的灌浆体系加入的硅溶胶极大的降低了灌浆夜的流动性。所以加入一定量的减水剂是解决其流动度不足的有效办法。本实验采用的是高效聚羧酸系减水剂，减水剂的掺入量分别为0%、1%、2%、3%、4%五组实验，水灰比为1：1，硅溶胶掺量为15%。每一组实验重复做三次，测其三次粘度值并求其算数平均值，以此来减小实验过程中其它因素所造成的误差。由图4可见，当增加减水剂的掺量时，浆液粘度显著减小，也就是说减水剂对改善灌浆液的流动性起到了非常大的积极作用。但是当减水剂的掺量超过2%之后，继续添加减水剂，浆液粘度降低的并不显而易见了。减水剂之所以可以降低浆液粘度，提高浆液流动性，是因为减水剂本身就是一种表面活性剂并且可以有效地提高水泥微粒之间的静电排斥力，以此来使超细水泥表面具有很高的表面活性，将其加入到灌浆材料中，它可以定向的吸附在超细水泥颗粒表面，细水泥颗粒充分的分散开来，有力的破坏了水泥水化以及硅溶胶团聚所形成的凝胶体，这就是凝胶体中自由水被释放出来，浆体的流动性就自然改善了很多。减水剂的加入，大大的弥补了水泥颗粒超细化以及纳米硅溶胶凝胶化产生的不足，使超细水泥灌浆材料的流动性得到极大改善。

        图4 减水剂对超细硅酸盐水泥灌浆材料粘度的影响
        3 结语
        当前，随着工业的不断发展，各行业对硅溶胶产品的要求也越来越高，常规硅溶胶产品的利润空间越来越小，近年来的生产研发也呈现出快速发展态势，产品类型越来越细，用于特殊领域的硅溶胶层出不穷，研发技术的进步促使应用领域不断拓展。我们一定要与时俱进，将硅溶胶产品趋向高附加值、高纯度、高含量、大粒径等高科技方向发展。只有这样，我们的企业才能跟上时代发展的潮流，才能在未来的竞争中立于不败之地。
        参考文献：
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        [2]徐勇，韩兵强，邹国荣，等.硅溶胶结合不定形耐火材料的研究及应用现状[J].耐火材料，2014，000（005）：391-396.
        [3]范海涛.硅溶胶结合不定形耐火材料的研究及其应用现状[J].建材与装饰，2017，000（010）：137-138.