老物新说，你不认识的硅溶胶

 硅溶胶是什么？如果直接来一段这样的介绍，你会不会感到困惑呢：硅溶胶是一种性能优良的纳米材料，是无定形二氧化硅颗粒在水或有机溶剂中均匀分散形成的胶体溶液，是用途极为广泛的无机高分子材料。   好像脑海里有一些概念了，但还是有一点不明觉厉的感觉。别急，先把硅溶胶本身放在一边，先看看硅溶胶和我们的生活的密切联系，看完就明白硅溶胶都能做什么了。

硅溶胶的应用 ：

 电子工业 

        70多年来，电子工业急速发展，光电产品对衬底材料需求量的日益增加，衬底时需要很好的平整度，化学机械抛光技术（CMP）是机械磨削和化学腐蚀的组合技术，用于在各种材料上实现原子级超光滑表面，也是公认唯一能实现全局平面化的技术。   

       该工艺已被广泛运用于硅片的精抛和粗抛，还有半导体器件、多晶化模组、平面显示器、光导摄像管、微电机系统等加工过程。特别是在大规模集成电路中，用于多层化薄膜的平坦化加工等。   

       抛光液在CMP中扮演重要的角色，而最广泛使用的就是硅溶胶了，亚微米或纳米级的SiO2磨粒和化学溶液组成的抛光液在工件与抛光垫之间流动，并产生化学反应，工件表面形成的化学反应物由SiO2磨粒的机械作用去除，即在化学成膜和机械去膜的交替过程中实现超精密表面加工。   

纺织工业 

       硅溶胶在织物的染色过程使用后，能够大大增强颜料与织物的粘附力，均匀度和牢度得到增加，有效的避免了颜料的凝聚。   

       如果将合毛油加入到硅溶胶中用于纤维的制造过程，不仅能大大提高生产效率，得到高支数的纤维产品，而且也使纤维之间的抱合力、抗张力得到增强和增大。同样，若将硅溶胶把树脂进行处理后，能够使树脂的耐洗涤和抗磨损能力增强，有效防止合成纤维的滑动。   

 涂料 

       由于硅溶胶的颗粒较细微，当其发生析胶时所形成的氧化硅活性较高，而与某些金属氧化物、无机盐形成新的硅酸盐无机高分子化合物后成膜效果也好；当细小的颗粒通过超强的渗透力进入基材后与其中的碱性物质生成CaCO3后，形成具有较强附着力的涂膜层。  

 耐火材料 

        以溶胶为粘结剂可烧结工业陶瓷器件，如耐火砖、高温瓷管，可用于硅酸铝纤维烧制保温器材，如毛管，还可以与短纤维制成涂料，对高大炉体实施保温，与其它粘结剂相比，所制得的器材，在坚固耐用，耐高温，保温等诸多的性能方面都有较大的改进和提高。           不定形耐火材料制备过程中，通常采用硅溶胶作为结合剂，主要是因为其中不含有低熔点氧化物，在高温下不会导致耐火材料性能恶化。   

 造纸工业

        硅溶胶在与单硬脂甘油酯混合处理后用于玻璃纸和塑料薄膜上可有效的防止夏季发粘问题。为了提高纸品的强度和防滑性、耐湿性，尽量避免在运输过程中纸层之间的滑动，牛皮纸和瓦楞纸的表面通常亦采用硅溶胶加以处理。  

      同样为了使非灰复写纸的色泽变得更鲜明，在其生产过程中，通常釆用硅溶胶取代滑石粉、粘土等粉涂层。   

      感光纸和胶印纸的预涂层，在用硅溶胶和感光液的混合液处理后，纸面变得更加平滑，感光纸的影像更加鲜明，并增大其曝光范围。

其他方面 

       在静电植绒技术上，酸性的硅溶胶是作为绒毛处理剂的主要成分，在纤维表面形成的硅烷醇基可有效改善植绒毛的带电性，解决纤维具有亲水性问题。   

      作为添加剂，硅溶胶还广泛应用于制作药物及牙膏当中，还可作为催化剂载体使用等。  

     由于硅溶胶所具有的表面积大，并且呈球型颗粒状分散在溶液中，使其在喷墨涂层中的光学密度和打印清晰性佳、能够快速使油墨变干，并且分散性好、减少基料中粘合剂的用料，节约成本、减少工艺。   

什么是硅溶胶 

      看完这些，就一个感觉，硅溶胶用处也太广了吧！性能这么好的硅溶胶到底是什么，为什么能有这样的性能？总结来说一句话，快告诉我究竟什么是硅溶胶！  

     硅溶胶也称胶体二氧化硅，为乳白色的溶胶液，无臭、无毒，分子式 

     可表示为mSiO2·H2O。硅溶胶的优异性能离不开其结构的支撑，硅溶胶的胶团结构像，下面这样：

硅溶胶胶团结构示意图

       是不是充满了对称重复的一种美感，这种结构，胶团中心是胶核，它是由成千上万个分子组成的紧密聚合体。胶核不溶于水，它可以从周围水溶液中有选择性地吸附某种离子，而反离子则一部分密聚在吸附层内，另一部分以扩散层形式分布在水中。   

      而硅溶胶的粒子结构如下图所示，内部结构为硅氧烷键(-Si-O-Si-)，表面层由许多硅氧醇基(-SiOH)和羟基(-OH)所覆盖，它们同胶体溶液中存在的碱金属离子一起形成扩散双电层，粒子间的静电作用对胶体溶液的稳定起重要作用。

硅溶胶的粒子结构

硅溶胶的制备

      自硅溶胶问世以来，对其制备方法的研究非常活跃。就原理而言，硅溶胶有2种制备方法，分别为凝聚法与分散法。就工艺而言，有硅溶解法、离子交换法、胶溶法、分散法等。   

 硅溶解法 

       采用无机或有机碱作催化剂，以单质硅与纯水反应来制备硅溶胶的方法称为硅溶解法。   

      该法的优点是硅溶胶成品中杂质含量少，二氧化硅的胶粒粒形、粒径、黏度、pH值、密度、纯度等易控制，胶粒外形圆整均匀，结构致密，硅溶胶的稳定性较好。   

离子交换法 

       是目前比较成熟，使用较广的一种方法。通常分为两个步骤：  

 1.活性硅酸制备 一般采用强酸型阳离子交换树脂去除水玻璃中的钠离子，联用弱碱型阴离子交换树脂去除体系中的杂质阴离子。活性硅酸在室温中不稳定，应尽快进行下一步工序。   

 2.胶粒增长和浓缩。 将水玻璃经阳离子交换树脂生成活性硅酸后，一类是先用稀碱稳定， 然后进行粒径增长和浓缩。另一种是先进行粒径增长，然后再选择合适的工艺浓缩。  

 浓缩的方法有物理及化工分离法，如加热蒸发浓缩、超滤浓缩等都是较有效的浓缩方法，将溶液中SiO2的浓度提高到硅溶胶的浓度。   

 胶溶法 

        胶溶法制备硅溶胶是先用酸中和水玻璃溶液形成凝胶，所得凝胶经过滤，水洗，然后加稀碱溶液，在加压加热条件下解胶即得溶胶。   

         该法制得的硅溶胶粒径分布较宽，纯度较低。   

 酸中和法 

        酸中和法一般采用稀水玻璃作为起始原料，稀硫酸等无机酸作为酸化剂。根据酸用量的不同，可制备酸性或碱性硅溶胶。   具体工艺步骤包括离子交换去除钠离子、制备晶核、酸中和反应、晶粒增长。   

      酸中和法制得的硅溶胶一般杂质离子含量较高，稳定性较差。   

 小结   

大粒径，高稳定性的硅溶胶才具有工业生产价值，我国自上世纪50年代就开始生产硅溶胶产品，但品种与产量都与国外有很大差距。生产硅溶胶产品粒径偏小，均匀性差等问题一直都制约着国内企业的发展。   

 工业上生产的溶胶产量较大，但粒径较小，浓度较低。应该进一步优化工艺条件，开发新工艺，生产出高浓度，颗粒更大，粒度分布更窄，稳定性更好的硅溶胶，并找到低能耗、高产值、污染小的生产路线。   

    开发出更多性能优良的硅溶胶以适应更加广泛的领域需求，是未来硅溶胶应用研究的重要方向。