表面改性硅溶胶以及酸性硅溶胶介绍

1. 简单介绍一下什么是二氧化硅SiO2

在地壳的所有氧化物矿物中，二氧化硅是最丰富的。它不仅与其他氧化物矿物结合存在，而且还会以沙子等形式独立存在。珍贵的矿物蛋白石是一种无定形二氧化硅，几百年来一直备受人们推崇。

二氧化硅除了是地球上最丰富的矿物外，它也严重影响我们的日常生活。硅藻土是一种构成海洋底层食物链的浮游植物，其骨骼由二氧化硅组成。许多植物使用二氧化硅来硬化茎，从而易于加持水果，并形成外部针状保护层。二氧化硅在动物体内也有很明显的作用，我们每个人体内都含有大量的二氧化硅，没有二氧化硅，我们的骨骼、头发和牙齿就无法形成。

二氧化硅不仅在生物学中起着重要的作用，而且在人类的文明发展中也起着及其重要的作用。弗林特是一种在古代工具中广泛使用的二氧化硅。陶器中使用的沙子也是二氧化硅的一种形式。两千年前的罗马水泥含有来自火山灰的无定形二氧化硅，这种无定形二氧化硅可以大大提高其强度和耐久性。如果没有用于制造我们炼油厂催化剂的二氧化硅、没有用于粘结铸造模具的二氧化硅、没有形成现代玻璃和陶瓷的二氧化硅、没有用于CMP抛光电子材料的二氧化硅，目前的人类文明将会无法想象。

总结：氧化硅是二氧化硅的另一个名称，化学式为SiO2。它可以在自然界中以晶体形式（如石英砂）存在，是地壳中最丰富的组成部分；另一方面，它也可以被人工生产制造出来，以无定形二氧化硅形式存在，例如：二氧化硅凝胶、沉淀二氧化硅、气相二氧化硅和胶体二氧化硅（硅溶胶）。

2. 简单介绍一下什么是"胶体"

胶体是一种稳定的粒子分散体：粒子足够小，重力不会使它们沉降，但又足够大，大到他们不能透过膜，但是其他分子和离子却可以自由通过。这种颗粒的粒径范围大约在1-100nm。

3. 硅溶胶相关知识

3.1 硅溶胶与气相氧化硅、熔融或沉淀氧化硅不同：

硅溶胶与其他类型的二氧化硅最明显的区别是，硅溶胶是以液态形式存在而不是粉末状。此外，它具有比较宽泛的表面积，其聚合体大小可以与原生粒子的一般大小。

3.2 硅溶胶也不是水玻璃

硅溶胶是由致密的SiO2无定形颗粒组成。这些颗粒的组成部分是随机分布的[SiO4] -四面体。 这种随机分布使得无定形二氧化硅与晶体二氧化硅不同（分子级有序）。 水玻璃是pH=12-13之间的碱性溶液，而硅溶胶的pH值一般为9-11（新创纳公司可以通过硅溶胶改性调节其pH至酸性或中性）。水玻璃的成分SiO2/Na2O比率大约为3.4 ，而硅溶胶的SiO2/Na2O比率通常大于50。 最后，水玻璃的粘度要高得多，而硅溶胶的粘度接比水的粘度略大。

3.3 硅溶胶的应用

硅溶胶在很多地方都有应用：可以用来增强无机水性涂料的性能，同时也可以用作水泥固化剂来提高水泥耐久性和强度，还可以用在催化剂载体、CMP抛光液材料、防火玻璃材料、精密铸造行业等。如何选择合适的硅溶胶是一项挑战，包括如何选择硅溶胶颗粒的形态（球型、非球型、蠕虫型等）、粒径和表面离子种类等。

硅溶胶是一种颗粒分散的流体，粘度较低，粒径大小从4nm-150nm不等。

这些粒子的形状可以是球形的或非球型的，根据制备方法的不同，它们可以在较窄或较宽的粒径范围存在。

硅溶胶中分散的氧化硅最大固含量基于平均颗粒大小是有上限的。平均粒径较小的硅溶胶具有较大的比表面积；相反，平均粒径较大的硅溶胶具有较低的比表面积，但是浓度可以做到更高。

硅溶胶的外观由胶体氧化硅的颗粒大小和浓度决定。在同样浓度下，小粒径的硅溶胶(< 10nm)更加清澈，中等粒径的硅溶胶(10-50nm)开始呈现不透明的外观，大粒径硅溶胶（50nm-150nm)通常呈现乳白色。

一般情况下硅溶胶稳定的pH范围在8-10，在其制备过程中通常用碱（通常为NaOH氢氧化钠、KOH氢氧化钾）或NH3H2O氨水做稳定剂。在这些稳定剂作用下，氧化硅粒子被带负电荷。可通过添加过量的电解质（钠、钙、氯化物、锂、钾）破坏胶体氧化硅的稳定性。通过将铝参入氧化硅颗粒的表面层形成铝硅酸盐位点，可以得到另一种形式的阴离子电荷稳定性胶体。

通过铝改性可以制备低pH值的酸性硅溶胶。将阳离子氧化铝吸附到氧化硅颗粒表面，得到pH<4的稳定的阳离子颗粒。通过对其完全去离子化，在无需稳定剂的条件下也能制备出pH<3的稳定胶体氧化硅。

此外，还可以通过硅烷表面改性来提高硅溶胶的稳定性。 硅醇基团可为隔离的硅醇基团，甚至为硅烷二醇基团（硅烷二醇基团）或邻苯二甲酸基团。这些硅烷不仅能为其他化学品的接枝提供反应性位点，还能物理防止硅氧烷桥的形成，从而形成聚集体或凝胶结构，提高稳定性。

4. 表面改性硅溶胶，酸性硅溶胶，中性硅溶胶

胶体二氧化硅表面主要是由Si-O-H羟基构成，除了羟基，其表面还有很多其它的基团，主要包括：硅烷二醇-Si-(OH)2 ；硅烷醇-Si(OH)3 ；表面硅氧烷-Si-O-Si-O-；和表面键合的水H2O。在碱性条件下它们产生阴离子表面电荷，这些带电荷的颗粒再由诸如钠、钾或铵之类的阳离子来稳定。

将铝引入到颗粒表面形成-Al-OH-基团，可进一步稳定阳离子胶体硅酸盐。即使在pH=3的酸性条件下，也会形成非常高的负电荷表面，从而大大提高胶体氧化硅的稳定性！

对于表面Al2O3修饰的阳离子硅溶胶，其表面电荷转为正电荷，这时通常用氯离子来平衡其表面电荷。这些溶胶仅在pH<4时才稳定。

采用硅烷表面改性可降低粒子表面电荷，实现pH=2-11，酸性、中性、碱性硅溶胶稳定性全覆盖。

总结：硅胶的粒径和pH值之间的差别最大。 粒径大小通常用比表面积来测定，比表面积越大，平均粒径越小。平均粒径也会影响SiO2含量（小粒径硅溶胶最高浓度相对低，一般为20-30%，大粒径硅溶胶可以做到55%的较高浓度）。常规硅溶胶是阴离子型的，一般用钠、钾或铵做稳定剂，pH=9-11。通过铝改性，可以制备出pH3-4的酸性硅溶胶，进一步去离子化可制备出低pH=2-3的酸性硅溶胶。