一种高固含纳米二氧化硅溶胶的制备方法

技术领域

本发明属于纳米二氧化硅溶胶制造领域，具体涉及一种高固含纳米二氧化硅溶胶的制备方法。

背景技术

纳米二氧化硅溶胶是粒径在1-150nm范围的纳米二氧化硅在水或其他有机溶剂中的分散液。由于纳米二氧化硅颗粒表面含有大量的硅羟基，具有较高的反应活性，因此被广泛应用于精密铸造、耐火材料、涂料、纺织、催化剂、CMP抛光等领域。

纳米二氧化硅溶胶生产技术主要有离子交换工艺、硅粉水解工艺、硅烷水解工艺。离子交换法制备纳米二氧化硅溶胶主要是采用硅酸钠为原料，先将硅酸钠稀释，再进行离子交换得到稀硅酸溶液，然后将其滴加到反应釜中，使硅酸逐渐在碱性条件下聚合成二氧化硅粒子，最后经浓缩，获得较高浓度纳米二氧化硅溶胶，硅粉水解法制备纳米二氧化硅溶胶主要是采用硅粉为原料，硅粉在碱性催化剂条件下发生水解生成硅酸并聚合成二氧化硅粒子，最后经过滤浓缩获得较高浓度纳米二氧化硅溶胶；硅烷水解法制备纳米二氧化硅溶胶主要是采用有机硅烷为原料，有机硅烷在醇水体系中发生水解生成硅醇再聚合成二氧化硅粒子，最后经减压蒸馏、浓缩获得较高浓度纳米二氧化硅溶胶。如发明专利CN108101070A公开报道了一种高浓度二氧化硅溶胶的制备方法，利用正硅酸甲酯为原料，在醇水体系中水解，后经再经浓缩蒸馏仅获得固含量≥30％二氧化硅溶胶。

目前，市面的纳米二氧化硅溶胶产品的固含量一般在20％-40％之间，固含量超过50％的硅溶胶即称为高固含(高浓度)纳米二氧化硅溶胶，与传统的纳米二氧化硅溶胶产品相比，高固含纳米二氧化硅溶胶粘度较大，容易发生凝胶，生产工艺控制复杂。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种高固含纳米二氧化硅溶胶的制备方法。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

一种高固含纳米二氧化硅溶胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)选取大粒径、中粒径、小粒径三种粒径大小的纳米二氧化硅溶胶；

(2)将大、中、小三种不同粒径纳米二氧化硅溶胶按照级配关系进行混合，得到复配型纳米二氧化硅溶胶；

(3)将复配型纳米二氧化硅溶胶转移至高压釜中进行高温高压处理；

(4)最后将处理好的复配型纳米二氧化硅进行超滤浓缩，得到高固含且粘度低的纳米二氧化硅溶胶。

所述纳米二氧化硅溶胶大粒径的尺寸为80-150nm，中粒径的尺寸为30-50nm，小粒径的尺寸为为5-20nm。

进一步地，步骤(1)中所述的大粒径纳米二氧化硅溶胶浓度为40-45％，中粒径纳米二氧化硅溶胶浓度为30-40％，小粒径纳米二氧化硅溶胶浓度为15-20％。

进一步地，步骤(2)中所述大、中、小三种不同粒径纳米二氧化硅混合的级配关系为(4-6):(2～3):1。

进一步地，步骤(3)所述高温高压处理温度为120-150℃，处理时间为3-8h。

进一步地，所述的一种高固含纳米二氧化硅溶胶的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述超滤浓缩时选用的超滤膜材质为醋酸纤维素类、醋酸纤维素酯类、聚乙烯类、聚砜类或聚酰胺类中的一种，超滤膜孔径<5nm。

纳米二氧化硅溶胶是纳米级的二氧化硅颗粒在水中形成的分散液，颗粒越小，彼此间的作用力就越大，粘度也越大，当浓缩至固含量过高时，就容易发生凝胶现象，因此生产小粒径纳米二氧化硅溶胶的固含量一般控制在15～20％范围内；而大粒径纳米二氧化硅溶胶颗粒间的作用力小，粘度较小，浓缩时可以将固含量控制在40～45％范围内，但是如果继续浓缩提高固含量，大粒径纳米二氧化硅溶胶也会出现粘度变大现象，有凝胶的趋势。

本发明创新性地将大、中、小粒径三种不同的纳米二氧化硅按照不同的数量关系进行级配复合，复配后颗粒彼此间的作用力会小于单一粒径颗粒间的作用力，在一定程度上降低了体系粘度，有利于进一步的浓缩；同时考虑到复配后的纳米二氧化硅溶胶体系中还会存在一定的硅酸小分子，其粒径为2-3nm，小于超滤膜的微孔，进行浓缩时会被随水分流失，另外，硅酸小分子也会增大体系粘度，为了降低硅酸小分子对浓缩操作和固含量的影响，本发明还创新性的对复合后的纳米二氧化硅溶胶进行高温高压处理，根据奥斯特瓦尔德熟化原理，在高温高压作用下，硅酸小分子会重新吸附于二氧化硅颗粒表面，硅酸小分子含量降低，体系降低粘度，因此浓缩后的纳米二氧化硅固含量也会进一步提高。本发明利用上述双重作用原理，可获得固含量高达56～58％的纳米二氧化硅溶胶。

由于采用以上技术方案，本发明的有益效果包括：

(1)制备的纳米二氧化硅溶胶产品固含量高且粘度低，可满足防火玻璃液、陶瓷涂料等产品高固含要求；

(2)制备成本低、操作过程简单，适合大规模工业化生产。

附图说明

图1复配型纳米二氧化硅溶胶未经高温高压处理TEM图片。

图2复配型纳米二氧化硅溶胶经高温高压处理后TEM图片。

具体实施方式

本发明实施例中使用超滤膜为聚酰胺材质，膜孔径<5nm；纳米二氧化硅溶胶为硅粉水解工艺制备，产品参数如表1所示：

表1硅溶胶产品

实施例1

(1)选取5#、2#、1#三种不同规格的纳米二氧化硅溶胶；

(2)按照大、中、小粒径纳米二氧化硅溶胶的级配关系为6:2:1，分别称取4#纳米二氧化硅溶胶6kg，2#纳米二氧化硅溶胶2kg，1#纳米二氧化硅溶胶1kg，然后将三种纳米二氧化硅溶胶混合，得到复配型纳米二氧化硅溶胶；

(3)将复配型纳米二氧化硅溶胶转移至高压釜中进行处理，处理温度120℃，处理时间8h；

(4)最后将处理好的复配型纳米二氧化硅进行超滤浓缩。

实施例2

(1)选取4#、3#、2#三种不同规格的纳米二氧化硅溶胶；

(2)按照大、中、小粒径纳米二氧化硅溶胶的级配关系为5:3:1，分别称取4#纳米二氧化硅溶胶5kg，3#纳米二氧化硅溶胶3kg，2#纳米二氧化硅溶胶1kg，然后将三种纳米二氧化硅溶胶混合，得到复配型纳米二氧化硅溶胶；

(3)将复配型纳米二氧化硅溶胶转移至高压釜中进行处理，处理温度130℃，处理时间5h；

(4)最后将处理好的复配型纳米二氧化硅进行超滤浓缩。

实施例3

(1)选取5#、3#、1#三种不同规格的纳米二氧化硅溶胶；

(2)按照大、中、小粒径纳米二氧化硅溶胶的级配关系为4:2:1，分别称取4#纳米二氧化硅溶胶4kg，2#纳米二氧化硅溶胶2kg，1#纳米二氧化硅溶胶1kg，然后将三种纳米二氧化硅溶胶混合，得到复配型纳米二氧化硅溶胶；

(3)将复配型纳米二氧化硅溶胶转移至高压釜中进行处理，处理温度150℃，处理时间3h；

(4)最后将处理好的复配型纳米二氧化硅进行超滤浓缩。

实施例4

(1)选取4#、3#、1#三种不同规格的纳米二氧化硅溶胶；

(2)按照大、中、小粒径纳米二氧化硅溶胶的级配关系为4:3:1，分别称取4#纳米二氧化硅溶胶4kg，2#纳米二氧化硅溶胶3kg，1#纳米二氧化硅溶胶1kg，然后将三种纳米二氧化硅溶胶混合，得到复配型纳米二氧化硅溶胶；

(3)将复配型纳米二氧化硅溶胶转移至高压釜中进行处理，处理温度120℃，处理时间5h；

(4)最后将处理好的复配型纳米二氧化硅进行超滤浓缩。

实施例5

(1)选取4#、3#、2#三种不同规格的纳米二氧化硅溶胶；

(2)按照大、中、小粒径纳米二氧化硅溶胶的级配关系为5:2:1，分别称取4#纳米二氧化硅溶胶5kg，3#纳米二氧化硅溶胶2kg，2#纳米二氧化硅溶胶1kg，然后将三种纳米二氧化硅溶胶混合，得到复配型纳米二氧化硅溶胶；

(3)将复配型纳米二氧化硅溶胶转移至高压釜中进行处理，处理温度150℃，处理时间4h；

(4)最后将处理好的复配型纳米二氧化硅进行超滤浓缩。

对比例1

(1)选取5#、3#、1#三种不同规格的纳米二氧化硅溶胶；

(2)按照大、中、小粒径纳米二氧化硅溶胶的级配关系为4:2:1，分别称取4#纳米二氧化硅溶胶4kg，3#纳米二氧化硅溶胶2kg，1#纳米二氧化硅溶胶1kg，然后将三种纳米二氧化硅溶胶混合，得到复配型纳米二氧化硅溶胶；

(3)最后将处理好的复配型纳米二氧化硅直接进行超滤浓缩。

利用博勒飞粘度计测定超滤浓缩后纳米二氧化硅溶胶的粘度，利用灼烧法测定超滤浓缩后纳米二氧化硅溶胶的固含量，测试结果如表2所示：

以上所述，仅为本发明的优选实施例，并不用于限定本发明；但对于本领域的普通技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用以上所揭示的技术内容而作出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。