硅溶胶稳定性问题.doc

高纯硅溶胶成分标准物质稳定性研究
(2009-12-0714:13:10)
注：本文原发表于《功能材料》2005年9月，如需PDF原文，请留下邮箱，注明所需文章即可。
王少明，赵华，王爱萍，荀其宁，云俊鲜
摘要：考察了高纯硅溶胶成分标准物质研制过程中影响稳定性的因素。根据高纯硅溶胶的物理化学性质，研究了影响高纯硅溶胶稳定的pH值、粒度分布、电解质等主要因素。提出了保持高纯硅溶胶稳定的措施，解决了高纯硅溶胶成分标准物质的稳定性问题，使标准物质稳定保存1年以上。
关键词：高纯硅溶胶；标准物质；稳定性；粒度分布；电解质
硅溶胶也称胶体二氧化硅，是无定性二氧化硅胶体粒子在水溶液中的稳定分散系，其分子式可表示为：mSiO2·H2O，它是由硅酸分子聚合成的带电荷分子团簇，单体之间通过扩散快速聚合成交联的SiO2颗粒结构。在单体浓度很高时，聚合速度很快并形成SiO2凝胶；当单体浓度较低时，可形成SiO2颗粒的悬浮体系即胶体。高纯硅溶胶可用于复合材料的填充、增密，大大地提高材料的耐高温性，并具有透波性好、抗激光辐射等特点。主要用于电子制造业、国防科技工业等行业。国外在航天飞行器和中远程导弹导引头的三向石英天线窗中已有应用。由于自身特性的原因，高纯硅溶胶稳定周期一般比较短，要将其作为标准物质使用，必须解决稳定性的问题。
要保证高纯硅溶胶成分标准物质的稳定性，首先要解决高纯硅溶胶物料的稳定性。笔者采用工业水玻璃（硅酸钠）为原料制备高纯硅溶胶，通过添加中性盐制备高纯硅溶胶成分标准物质。在此基础上，研究了影响高纯硅溶胶稳定性的pH值、粒度分布、电解质、温度、SiO2浓度等主要因素。提出了保持高纯硅溶胶稳定性的措施，使高纯硅溶胶能稳定地保存1a以上，满足了标准物质使用、储存、运输的技术要求。在16个月内对标准物质特性成分量进行了考察，考察结果表明满足标准物质稳定性的要求。
1高纯硅溶胶成分标准物质的制备
选用适当粘度和浓度的硅酸钠溶液，将其稀释过滤后的清液依次顺流通过再生、淋洗合格的阳离子树脂床和阴离子树脂床，依次除去硅酸钠溶液中的金属离子和酸根离子，形成硅酸溶液。由于硅酸溶液不稳定，应立即加入稳定剂使其在较长时间内保持分子团簇状态。在反应釜中调节并保持pH值基本恒定的情况下边加热边加入硅酸溶液，使二氧化硅粒子长大，制得氨型前置硅溶胶。将制备的氨型前置硅溶胶，再经强酸性阳离子树脂交换床进行提纯。控制钠、钾、钙、镁元素的含量在10μg/g以下，收集二氧化硅含量在21%～25%范围内的高纯硅溶胶。准确称取一定量的高纯硅溶胶，按照设计量分别加入钠、钾、钙、镁中性盐的低浓度溶液，充分混匀制得高纯硅溶胶成分标准物质。
2高纯硅溶胶稳定性影响因素
影响胶体稳定的主要因素有pH值、粒度分布、电解质等，另外电荷分布、SiO2浓度也是影响胶体稳定的一个重要因素。目前大多选择合适的酸或碱以及有机化合物作为稳定剂，但是用碱稳定的碱性硅溶胶动力粘度值变化较大，往往出现“过滤”现象，虽然成分没有发生变化，但影响复合材料的性能，一般不被采用。用酸稳定的酸性硅溶胶动力粘度值变化较小，不会出现“过滤”现象，也比较稳定。目前使用的高纯硅溶胶大多采用酸作为稳定剂。为了使标准物质基体与材料基体保持一致，笔者采用酸性稳定剂制成酸性高纯硅溶胶，然后调节至合适的pH值范围，保存在合适的温度范围内，进行稳定性考察。
2.1pH值
pH值与高纯硅溶胶的稳定性有直接关系。经测定高纯硅溶胶pH值在2～10之间时，粒子的ξ电位为负值；pH值在2以下时，粒子的ξ电位为正值；pH值等于2时为“0”电位。pH值在8.5～10范围内，为稳定区；pH值大于10时，硅溶胶粒子溶解为硅酸盐；pH值4以下为介稳区；pH值为2时，为最高介稳态。根据制备的高纯硅溶胶的特点，调节硅溶胶的pH值在2.5左右，可以保持溶胶处于高介稳态，在室温下可存放2a而不凝胶。
2.2粒径
粒径是影响硅溶胶稳定的另一重要因素。胶粒直径的大小和粒度分布是硅溶胶质量高低的重要指标。硅溶胶粒子直径在一定范围内，粒径越均匀、分布范围越窄，稳定性越好，但是硅溶胶粒子越均匀，工艺就越复杂、越难以控制。硅溶胶含量越小越稳定，但SiO2含量小于23%就不能满足特殊使用要求。粒径越小也越稳定，但粒径太小不适合于实际应用。笔者分别对5～10nm、10～15nm、15～25nm、25～35nm、35nm以上5个不同粒径硅溶胶进行稳定性研究发现，粒径5～25nm硅溶胶在12个月的贮存期内是稳定的，粒径大于25nm稳定性达不到12个月。为了保持硅溶胶粒径的大小与粒子生长周期的合理性，采取控制硅溶胶粒径在10～15nm范围内，既可简化工艺过程，又可保持高纯硅溶胶的稳定。
2.3电解质
电解质对硅溶胶的稳定性也有一定的影响，且与pH值有密切关系。因为盐类放出离子