CN104588568A - 一种铝改性硅溶胶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝改性硅溶胶的制备方法，是取NaOH，搅拌下加入到水中加热溶解，继续升温至90-100℃，再加入Si粉和Al粉的混合物，反应5-8小时后冷至室温，过滤，得到清透或者乳白色溶胶。本发明选择在硅粉里面掺杂少量的铝粉的方法，利用金属单质溶解法一步合成铝改性硅溶胶。铝粉和硅粉都是比较价廉易得的材料，通过硅粉和铝粉与氢氧化钠的反应生成，并控制铝的添加量，可以得到不同改性程度的铝改性硅溶胶。该铝改性硅溶胶中铝在胶体粒子形成过程中就可以发挥作用，能够键合到硅氧烷键(—Si—O—Si—)结构中，并能充分有效地参与到硅溶胶吸附层甚至胶核的形成，而且铝改性的程度可有效地加以控制。
Description
技术领域
本发明涉及精细无机高分子化工技术活领域，具体涉及一种铝改性硅溶胶的制备方法。
背景技术
硅溶胶又称硅酸水溶液，是二氧化硅胶体微粒在水中均匀分散形成的胶体溶液，粒子直径一般在8-200nm之间，外观为乳白色或者半透明胶状液体，多呈碱性，少数呈酸性。作为一种性能优良的无机高分子材料，硅溶胶在化工、精密铸造、纺织、造纸、涂料、食品、电子、选矿等领域得到广泛的应用。
普通硅溶胶虽然有着很多优异的性质并得到广泛应用，但随着硅溶胶研究和应用的不断深入，组成和结构单一的硅溶胶已不能满足一些特殊领域的应用，而改性硅溶胶恰好能够弥补普通硅溶胶的缺陷，拓展其应用范围。如在熔模铸造中利用高聚物改性硅溶胶可以大大缩短层间干燥时间；在复合材料领域由于硅溶胶中SiO2粒子表面带有大量羟基，与聚合物复合制备有机或无机复合材料时大多局限于水溶性涂料体系，而对于环氧树脂、丙烯酸酯预聚体等极性较小的体系则易出现团聚的现象，如果采用硅烷偶联剂对硅溶胶进行表面改性，然后进一步通过有机功能基团对其进行改性，则可以实现其在有机高分子基体中的均匀分散；在涂料应用中利用PVAc乳液、PVA 水溶液、丙烯酸醋共聚乳液等有机高分子化合物改性硅溶胶可以使涂层的耐老化性大幅度提高，装饰效果得到了改善，同时使用寿命相应延长。
目前，国内外对硅溶胶改性的研究主要包括有机高分子改性和金属盐改性。金属盐改性硅溶胶的机理是，金属离子进入胶体固定层，ζ电位下降，胶体水化层变薄，胶粒间相互斥力有所减弱，从而达到降低硅溶胶胶凝浓度的目的。这些金属盐包括三价金属铝、硼、铬、镓、铟、铊盐, 以及四价钛、锆、锗、铈、铪、锡盐等。
铝改性硅溶胶的研究主要是利用铝盐如硝酸铝、三氯化铝、硫酸铝等对其改性。利用铝盐改性的主要方法是，首先用强酸性阳离子交换树脂除去硅溶胶中过多的钠离子，防止改性时凝胶，然后向硅溶胶中加入一定量的铝盐进行改性。此种铝盐改性的硅溶胶稳定性不强，容易脱离吸附层，保质期不长。
铝盐改性的硅溶胶在熔模铸造中有以下优点：（1）浆料维护少。（2）湿强度高，型壳残留强度低，易清洗。（3）增加面层涂料的弹性与湿强度，减少或去除面层干燥过快及铸件结构引起的裂壳、起皮等质量问题。（4）Na2O%含量低。（5）与锆英粉形成的浆料，具有较好的稳定性。
中国专利CN1544182A公开了一种铝改性碱性硅溶胶。它含有二氧化硅20-32%，氧化铝0.1-1.5%、氧化钠0.03-0.15%，其pH值为7.5-9.6，所述氧化铝主要以铝离子被硅醇基吸附的形态存在。该发明通过在胶体中引入Al3+，A l3+被胶粒表面硅醇基吸附，而形成-Si-O-Al结构，使硅溶胶表面吸附的水分子减少，加快了型壳的干燥速度，缩短了熔模铸造制壳周期，提高了制壳与生产效率。同时，由于该发明的硅溶胶是碱性，符合熔模制造厂家的使用习惯和使用的耐火材料的性能要求。
目前铝改性硅溶胶的一种制备方法是将金属铝盐如硝酸铝、三氯化铝、硫酸铝等的水溶液直接加入到硅溶胶中而对其进行改性。由于硅溶胶胶体结构的相对稳定性，其内部结构为硅氧烷键(—Si—O—Si—)，因此外加的铝离子只能附着在吸附层外部，同时吸附能力也不大，多数铝离子只能以离子形式分散在水中。
铝改性硅溶胶的另一种制备方法是先用金属铝盐处理氢型阳离子交换树脂，然后再用该树脂处理碱性钠型硅溶胶。这种方法的缺点是一方面金属铝盐不可能有效地与氢型阳离子离子交换树脂进行铝离子和氢离子的交换，同时最后铝离子型阳离子交换树脂中铝离子与硅溶胶钠离子的交换也同样存在低效率的问题。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，本发明提供了一种铝改性硅溶胶的制备方法。
本发明提供的铝改性硅溶胶的制备方法，是取NaOH，搅拌下加入到水中加热溶解，继续升温至90-100℃，再加入Si粉和Al粉的混合物，反应5-8小时后冷至室温，过滤，得到清透或者乳白色溶胶。
作为优选方案，所述NaOH与水的质量比为2.0-3.5:550。
作为优选方案，所述Si粉和Al粉的质量比为28:0.05-0.5。
作为优选方案，所述NaOH、水、Si粉和Al粉的质量比为2.0-3.5:550:28:0.0.05-0.5。
由以上任意一种方法制备获得的铝改性硅溶胶产品也在本发明的保护范围之内。
本发明还可以将铝改性硅溶胶通过减压浓缩及超滤的方法去除分散介质水，从而提高二氧化硅及铝含量。还可以通过阳离子交换树脂降低铝改性硅溶胶的pH值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明选择在硅粉里面掺杂少量的铝粉的方法，利用金属单质溶解法一步合成铝改性硅溶胶。铝粉和硅粉都是比较价廉易得的材料，通过硅粉和铝粉与氢氧化钠的反应生成，并控制铝的添加量，可以得到不同改性程度的铝改性硅溶胶。该铝改性硅溶胶中铝在胶体粒子形成过程中就可以发挥作用，能够键合到硅氧烷键(—Si—O—Si—)结构中，并能充分有效地参与到硅溶胶吸附层甚至胶核的形成，而且铝改性的程度可有效地加以控制。
二氧化硅质量分数同等条件下，高铝含量的硅溶胶，粒径在8-20nm，可以显著缩短熔模铸造蜡膜型壳层间干燥时间，提高制壳与生产效率。低铝含量的硅溶胶，粒径在50-200nm的区域内，可以广泛应用于抛光行业。
具体实施方式
实施例1
取2.00g NaOH，搅拌下加入到550mL H2O中加热溶解，继续升温至90-100℃，再加入28.00g Si粉和0.10g Al粉的混合物，反应5-8小时后冷至室温，过滤，得到500g乳白色溶胶。该铝改性硅溶胶SiO2含量为12.00%，pH值为10.58，铝含量为200ppm。
实施例2
取3.00g NaOH，搅拌下加入到550mL H2O中加热溶解，继续升温至90-100℃，再加入28.00g Si粉和0.10g Al粉的混合物，反应5-8小时后冷至室温，过滤并通过减压浓缩得到120g乳白色溶胶，该铝改性硅溶胶SiO2含量为50.00%，pH值为10.65，铝含量为833ppm。
实施例3
取3.00g NaOH，搅拌下加入到550mL H2O中加热溶解，继续升温至90-100℃，再加入28.00g Si粉和0.10g Al粉的混合物，反应5-8小时后冷至室温，过滤并通过减压浓缩得到240g微白色透明溶胶，该铝改性硅溶胶SiO2含量为25.00%，pH值为10.68，铝含量为416ppm。
实施例4
取3.00g NaOH，搅拌下加入到550mL H2O中加热溶解，继续升温至90-100℃，再加入28.00g Si粉和0.10g Al粉的混合物，反应5-8小时后冷至室温，过滤，滤液先用氢型阳离子交换树脂调节pH值为9.00，接着进一步通过减压浓缩得到200g微白色透明溶胶，该铝改性硅溶胶SiO2含量为30.00%，pH值为9.00，铝含量为500ppm。
实施例5
取3.10g NaOH，搅拌下加入到550mL H2O中加热溶解，继续升温至90-100℃，再加入28.00g Si粉和0.20g Al粉的混合物，反应5-8小时后冷至室温，过滤并通过减压浓缩得到200g微白色透明溶胶，该铝改性硅溶胶SiO2含量为30.00%，pH值为10.72，铝含量为1000ppm。
实施例6
取3.10g NaOH，搅拌下加入到550mL H2O中加热溶解，继续升温至90-100℃，再加入28.00g Si粉和0.20g Al粉的混合物，反应5-8小时后冷至室温，过滤，滤液先用氢型阳离子交换树脂调节pH值为9.50，接着进一步通过减压浓缩得到240g微白色透明溶胶，该铝改性硅溶胶SiO2含量为25.00%，pH值为9.50，铝含量为833ppm。
实施例7
取3.20g NaOH，搅拌下加入到550mL H2O中加热溶解，继续升温至90-100℃，再加入28.00gSi粉和0.30g Al粉的混合物，反应5-8小时后冷至室温，过滤并通过减压浓缩得到240g微白色透明溶胶，该铝改性硅溶胶SiO2含量为25.00%，pH值为10.75，铝含量为1250ppm。
实施例8
取3.20g NaOH，搅拌下加入到550mL H2O中加热溶解，继续升温至90-100℃，再加入28.00g Si粉和0.30g Al粉的混合物，反应5-8小时后冷至室温，过滤，滤液先用氢型阳离子交换树脂调节pH值为9.50，接着进一步通过减压浓缩得到200g微白色透明溶胶。该铝改性硅溶胶SiO2含量为30.00%，pH值为9.50，铝含量为1500ppm。
实施例9
取3.30g NaOH，搅拌下加入到550mL H2O中加热溶解，继续升温至90-100℃，再加入28.00g Si粉和0.40g Al粉的混合物，反应5-8小时后冷至室温，过滤并通过减压浓缩得到240g微白色透明溶胶，该铝改性硅溶胶SiO2含量为25.00%，pH值为10.80，铝含量为1667ppm。
实施例10
取3.30g NaOH，搅拌下加入到550mL H2O中加热溶解，继续升温至90-100℃，再加入28.00g Si粉和0.40g Al粉的混合物，反应5-8小时后冷至室温，过滤，滤液先用氢型阳离子交换树脂调节pH值为9.50，接着进一步通过减压浓缩得到200g微白色透明溶胶，该铝改性硅溶胶SiO2含量为30.00%，pH值为9.50，铝含量为2000ppm。
将实施例1-10制备的铝改性硅溶胶与未经铝改性的硅溶胶，按本发明人
申请的公开号为CN101786139A的“一种聚合物改性的硅溶胶及其制造方法”专利说明书中第12-13页所述测试型壳性能指标的方法，分别测试实施例样品与对照组广东东莞惠和硅制品有限公司S-1430A硅溶胶和S-35硅溶胶的层间干燥时间和强度，比较结果见表1。
表1
从上表可看出，本发明的铝改性硅溶胶具有较好的性能，不仅蜡模型壳层间干燥时间明显缩短，而且其常温强度和高温强度都高于对照组，残留强度低于对照组，同时，随着铝含量的增加，其性能更佳。这说明本发明铝改性硅溶胶适合在精密铸造工业领域应用，具有重要的应用价值。
上述实施例，只是本发明的较典型实施例，并非用来限制本发明实施范围，故凡以本发明权利要求所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括在本发明权利要求范围之内。
Claims (5)
1.一种铝改性硅溶胶的制备方法，其特征在于，取NaOH，搅拌下加入到水中加热溶解，继续升温至90-100℃，再加入Si粉和Al粉的混合物，反应5-8小时后冷至室温，过滤，得到清透或者乳白色溶胶。
2.根据权利要求1所述的铝改性硅溶胶的制备方法，其特征在于，所述NaOH与水的质量比为2.0-3.5:550。
3.根据权利要求1所述的特种铝改性硅溶胶的制备方法，其特征在于，所述Si粉和Al粉的质量比为28: 0.05-0.5。
4.根据权利要求1所述的铝改性硅溶胶的制备方法，其特征在于，所述NaOH、水、Si粉和Al粉的质量比为2.0-3.5:550:28: 0.05-0.5。
5.权利要求1-4任一所述的铝改性硅溶胶的制备方法制备得到的铝改性硅溶胶。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Preparation method of aluminum modified silica sol Effective date of registration: 20180817 Granted publication date: 20160727 Pledgee: China Co truction Bank Corp Dongguan Dongkeng branch Pledgor: Guangdong Well-Silicasol Co., Ltd. Registration number: 2018440000239 |