性硅溶胶的制备及反应稳定性研究

硅溶胶制备方法评述
硅溶胶是一种经过研究和发展的新型材料，它由硅量子点和有机硅溶胶分子组成，以及其他从植物、动物或微生物中获得的有机材料，如表面活性剂、聚合物和矿物质。

硅溶胶的主要优点在于其结构紧凑，弹性好，机械强度高，吸收能力强，特别是其耐高温和防腐蚀特性，这使得它在各种工业应用中颇具优势。

硅溶胶制备方法基本上分为化学制备法和物理制备方法。

化学制备方法应用的较多，其制备溶液主要由水，有机硅单体和表面活性剂构成，制备程序有悬浮法、煅烧法、介质法和蒸馏法等。

物理制备方法有超声波气泡法、电火花法、等离子体辅助法、冷冻干燥法、热液体冲蚀法等，这些方法均利用电场或声波的作用力来实现分散增效的目的。

硅溶胶制备的最终目的是得到一种结构紧凑、弹性好、机械强度高、吸收能力强的高性能材料，因此在制备硅溶胶时，需要首先了解其结构及形貌，有助于硅溶胶制备过程中的调整及控制。

由于硅溶胶是由微小的硅量子点和有机硅溶胶分子组成，因此在制备硅溶胶时，还需要了解相关的硅量子点及有机硅溶胶分子的分布和形态。

要制备出高性能的硅溶胶，需要从好的原料出发，控制其结构和形状，保证材料的结构紧凑，有机硅溶胶分子之间的键合效率高，以及获得良好的机械性能。

除此之外，对硅溶胶的制备方法也有一定的要求，比如硅量子点的工艺温度控制在200℃以内，用于制备所需的有机硅溶胶分子应具有良好的温度稳定性，表面活性剂的应用量也应
适当，以免影响硅溶胶的性能。

总而言之，不同的硅溶胶制备方法具有不同的特点，比如化学制备法可以实现快速制备，物理制备方法可以制备出超细粒度的硅溶胶，也有利于控制硅溶胶的结构和形状，但是无论采用哪种方法，都需要仔细控制制备过程的参数，以获得最终的理想效果。

第42卷第7期2023年7月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.42㊀No.7July,2023氨水对溶胶-凝胶法制备硅溶胶粒径及稳定性的影响熊江敏1,段㊀宁1,陆成龙2,3,张银凤2,李崇瑞1(1.武汉科技大学资源与环境工程学院,武汉㊀430081;2.湖北理工学院矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室,黄石㊀435003;3.湖北理工学院先进材料制造与固废资源化协同技术湖北省工程研究中心,黄石㊀435003)摘要:本文以正硅酸乙酯(TEOS)为原料,在以氨水为催化剂的碱体系中,采用溶胶-凝胶法制备了二氧化硅溶胶㊂通过SEM-EDS㊁XRD㊁热重分析㊁激光粒度分析㊁Zeta 电位等分析手段,研究了氨水的加入量对二氧化硅溶胶粒径以及稳定性的影响㊂研究结果表明,当pH 值在11~12㊁氨水与TEOS 的摩尔比R (n (NH 3㊃H 2O)ʒn (TEOS))在1~10时,随着R 值的增大,二氧化硅溶胶平均粒径y 与R 值x 呈指数相关趋势,其拟合函数为y =2.22x 1.79,相关性为0.96,粒径从10.17nm (R =1)增加到142.48nm (R =10),且胶粒的粒径分布半高宽从9.89nm (R =1)增加到171.61nm (R =10)㊂二氧化硅溶胶的稳定性则与氨水的加入量呈下抛物线趋势,其凝胶时间从684h (R =1)下降到28h (R =5),再上升到780h (R =10)㊂关键词:氨水;溶胶-凝胶法;二氧化硅溶胶;粒度;稳定性;纳米结构中图分类号:TQ127.2㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2023)07-2589-08Effect of Ammonia on Particle Size and Stability of Silica Sol Prepared by Sol-Gel MethodXIONG Jiangmin 1,DUAN Ning 1,LU Chenglong 2,3,ZHANG Yinfeng 2,LI Chongrui 1(1.School of Resource and Environmental Engineering,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China;2.Hubei Key Laboratory of Mine Environmental Pollution Control and Remediation,Hubei Polythechnic University,Huangshi 435003,China;3.Hubei Engineering Research Center for Collaborative Technology of Advanced Material Manufacturing and Solid Waste Recycling,Hubei Polythechnic University,Huangshi 435003,China)Abstract :Silica sols were prepared by the sol-gel method using ethyl orthosilicate (TEOS)as raw material and ammonia as catalyst.The effect of ammonia addition on the particle size as well as the stability of silica sols were studied through SEM-EDS,XRD,thermogravimetric analysis,laser particle size analysis,Zeta potential,and other analytical means.The results show that when the pH value is in the range of 11~12and the molar ratio of ammonia to ethyl orthosilicate R (n (NH 3㊃H 2O)ʒn (TEOS))is in the range of 1~10,the average particle size y of silica sol is index correlated with the R value x .The fitted function is y =2.22x 1.79with a correlation coefficient of 0.96,and the particle size increases from 10.17nm (R =1)to 142.48nm (R =10),and the half-height width of the particle size distribution increases from 9.89nm (R =1)to 171.61nm (R =10).The stability of the silica sol shows a downward parabolic trend with theaddition of ammonia,with the gel time decreasing from 684h (R =1)to 28h (R =5)and then increasing to 780h (R =10).Key words :ammonia;sol-gel method;silica sol;particle size;stability;nanostructure 收稿日期:2023-03-03;修订日期:2023-04-25基金项目:矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室开放基金(2021XZ103)作者简介:熊江敏(1998 ),男,硕士研究生㊂主要从事水处理陶瓷材料方面的研究㊂E-mail:173****6958@通信作者:陆成龙,博士,副教授㊂E-mail:cjwust@ 0㊀引㊀言溶胶-凝胶(sol-gel)法是近年来制备无机功能纳米材料最为常见的方法[1],因具有工艺流程简单㊁成本低廉㊁产品纯度高等优点,在制备陶瓷㊁纤维㊁薄膜中具有重要应用,被广泛用于制备纳米粉体[2-3]㊂二氧化2590㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷硅溶胶具有耐高温㊁耐酸碱㊁比表面积大㊁化学稳定性好等优点,被广泛运用在催化剂㊁陶瓷㊁气体分离㊁废水分离㊁膜催化反应器等方面,拥有广阔的市场前景[4-8]㊂因此,方便㊁快捷㊁经济地制备出高性能的二氧化硅纳米粉体就显得尤为重要㊂通常情况下,溶胶-凝胶法制备二氧化硅溶胶所发生的水解㊁缩聚反应速率很小,需添加合适的催化剂来提高反应速率[9-10]㊂其中,加入催化剂主要分为两类[11],一类是HCl㊁HNO 3等酸性催化剂,另一类是以NH 3㊃H 2O㊁NaOH 为主的碱性催化剂,在两类催化剂的作用下都能快速制备出二氧化硅溶胶㊂但是在酸性条件下,制备的二氧化硅溶胶粒子稳定性差,分散不均匀,易于团聚凝胶;而碱性条件下制备的二氧化硅溶胶分散性好,稳定性强,利于长期保持㊂张家豪等[12]认为以酸为催化剂时,正硅酸乙酯(TEOS)水解速率较小,一般只能水解出1~2个Si OH㊂以碱为催化剂时,TEOS 的水解为亲核反应,羟基( OH)会直接攻击硅原子核,致使TEOS 水解出3~4个Si OH㊂因此,在碱性条件下,水解速率比酸性条件下更大㊂Zhou 等[13]探究了不同种类的碱性催化剂对溶胶-凝胶法制备的二氧化硅粒径分布的影响,结果表明,弱碱性的体系有利于获得具有均匀形貌的二氧化硅纳米颗粒,而强碱性的体系中有利于获得较大的粒径但形貌不规则的纳米颗粒㊂综上所述,为获得尺寸均匀㊁稳定性好的二氧化硅溶胶粒子,应采用弱碱性的NH 3㊃H 2O 为催化剂㊂Gao 等[14]采用溶胶-凝胶法,仅通过控制溶剂的添加量制备出了粒径70~400nm 的二氧化硅实心微球㊂Kim 等[15]在低温的条件下,采用溶胶-凝胶法制备出了粒径60~120nm 的二氧化硅颗粒,并研究了其亲水性能㊂目前,虽然有较多的文献探究单因素变量对二氧化硅粒径的影响,但这些研究只讨论了变量对粒径大小㊁形貌变化的影响,而少有探究粒径变化所导致溶胶稳定性变化的原因㊂然而,二氧化硅溶胶的稳定性在制备多用途二氧化硅溶胶以及二氧化硅膜时又是一个十分重要的制备参数,有必要进行进一步研究㊂因此,本文在以氨水为催化剂变量下,研究了其对二氧化硅粒径变化的同时,进一步分析了粒径变化对溶胶稳定性的影响及原因,为更好地制备粒径均匀㊁稳定性好的硅溶胶提供重要参考㊂1㊀实㊀验1.1㊀试剂与仪器溶胶-凝胶法制备二氧化硅溶胶所采用的化学试剂包括:正硅酸乙酯(TEOS,C 8H 20O 4Si,天津市科密欧化学试剂有限公司,分析纯)㊁无水乙醇(上海国药,分析纯)㊁浓氨水(上海国药,分析纯);超纯水(实验室制备)㊂实验制备所用到的仪器设备包括:电子天平(上海越平科技有限公司,FA-2204C)㊁集热式恒温磁力搅拌器(上海历辰邦西仪器科技有限公司,DF-101S)㊂1.2㊀二氧化硅溶胶的制备图1㊀二氧化硅溶胶制备流程Fig.1㊀Preparation process of silica sol以TEOS 为原料制备硅溶胶的流程如图1所示㊂准确量取50mL 无水乙醇于三口烧瓶中,向其中加入一定体积的浓氨水,室温下搅拌数分钟使其混合均匀,得到A 液;将3mL B 液TEOS 缓慢地滴加到A 液中,并加入适量的去超纯水,确保TEOS 的浓度为0.25mol /L,得到C 液,C 液在70ħ下剧烈搅拌2h,静置后得到二氧化硅溶胶㊂其中氨水与TEOS 的摩尔比值记作R (R =n (NH 3㊃H 2O)ʒn (TEOS)),且R 值的取值范围为1~10㊂1.3㊀测试表征采用X 射线衍射仪(布鲁克科技有限公司,D8A),在5ʎ~90ʎ的扫描范围下对干燥研磨后不同R 值的粉末进行物象分析;用Zetasizer Nano 粒度/电位分析仪(马克文仪器有限公司(中国),ZEN3690)分析不同R 值二氧化硅溶胶的粒径分布情况以及各组分溶胶样品的Zeta 电位;用场发射扫描电子显微镜(日本电子株式会社,JSM-6710Fp)分析不同R 值的二氧化硅溶胶粒子的形态以及EDS 能谱仪分析元素分布;用热分析仪第7期熊江敏等:氨水对溶胶-凝胶法制备硅溶胶粒径及稳定性的影响2591㊀(梅特勒-托利多国际有限公司,TGA2(SF)),在氮气氛围条件下,以10ħ/min 升温速率测试得到二氧化硅溶胶的差热分析曲线㊂2㊀结果与讨论2.1㊀二氧化硅溶胶外观及物相分析图2㊀不同R 值下的二氧化硅溶胶样品图Fig.2㊀Image of silica sol samples at different R values 使用TEOS 制备二氧化硅溶胶,通过控制不同氨水和TEOS 的比例R 值制得的硅溶胶样品如图2所示㊂当加入的氨水量过少时,水解反应缓慢,只有少部分TEOS 参与反应,并无法在反应持续时间内水解完全,因此,呈现出无色透明状态;当R ȡ4时,由于氨水加入量的增加,水解反应加快,更多的TEOS 参与水解反应,同时伴随着缩聚反应的进行,所得到的溶液也从淡蓝色转变为深蓝色,最终呈乳白色,在红外光线的照射下出现明显的丁达尔效应,形成二氧化硅溶胶㊂将R 值分别为2㊁4㊁6㊁8的二氧化硅溶胶烘干后测得的XRD 谱如图3所示㊂图中并没有出现明显的尖峰,但在2θʈ22ʎ处出现一个较宽的非晶衍射峰,是无定形二氧化硅的特征峰,虽然随着氨水加入量的增加,衍射峰强度稍微增加,表明样品中纳米二氧化硅含量增加,但总体上没有影响二氧化硅的晶体结构,所制备二氧化硅溶胶以非晶相形式存在㊂图4展示了二氧化硅干燥凝胶的TG-DTA 曲线㊂TG-DTA 曲线显示,烘干后凝胶的主要失重阶段发生在150ħ以内,在100ħ附近有一个强烈的吸热峰,这是凝胶中吸附水㊁乙醇等物质的脱附释放引起的[16],样品的失重率约为7.93%㊂在150ħ以后,样品基本不再失重,TG 曲线保持水平㊂图3㊀不同R 值下二氧化硅溶胶粉末XRD 谱Fig.3㊀XRD patterns of silica sol powder at different Rvalues 图4㊀二氧化硅溶胶热重分析曲线Fig.4㊀Thermogravimetric analysis curves of silica sol 2.2㊀氨水的加入量对二氧化硅溶胶粒度及分布的影响由图2可知,不同R 值下制备的二氧化硅溶胶颜色有差别,为了探究产生这一差异的原因,对不同R 值下制备的二氧化硅溶胶进行粒度分析,结果如图5所示㊂图6为不同R 值对二氧化硅溶胶平均粒径的影响,由图5以及图6可以看出,随着R 值的增加,二氧化硅粒径分布峰向右移动,粒径随之变大,从10.17nm(R =1)逐渐增加到142.48nm(R =10)㊂当R <4时,水解反应速率较慢,单位时间内产生的正硅酸等中间体较少,相应的聚合反应也较慢,因此,粒径增长较为缓慢,粒径较小㊂当R ȡ4时,水解反应随着氨水的加入进一步加快,单位时间内产生的中间体增加,使得参与聚合反应的反应物增加,促进了聚合反应的正向进行,平均粒径大幅增长㊂总体上平均粒径与氨水的加入量(即氨水与TEOS 的比例)表现为指数相关关系,为了更好地探究其变化规律,建立氨水加入量x 与二氧化硅平均粒径y 的函数,其拟合函数为y =2.22x 1.79,相关性为0.96,可为后期的制备粒径在10~140nm 的二氧2592㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷化硅溶胶的研究提供参考㊂图5㊀不同R 值下的二氧化硅溶胶粒径分布图Fig.5㊀Frequency distribution curves of silica sol particles under different Rvalues 图6㊀不同R 值对二氧化硅溶胶平均粒径的影响Fig.6㊀Influences of difference R values on average particle size of silicasol图7㊀不同R 值对硅溶胶粒径分布半高宽的影响Fig.7㊀Influences of difference R values on FWHM of frequency distribution of silica sol 从图5还可以看出,氨水加入量的变化不但会影响二氧化硅溶胶的平均粒径,还会影响胶粒的分布宽度㊂溶胶粒径分布宽度越窄,说明溶胶粒子的均匀性越好㊂以二氧化硅溶胶粒径分布的半高宽(full width at half maximum,FWHM)表示粒径的分布均匀情况,不同R 值下制备的硅溶胶粒径分布半高宽如图7所示㊂从图7中可以看出随着R 值的增大,硅溶胶粒径分布的半高宽也在不断变化,从最初的9.89nm (R =1)逐步增加到171.61nm (R =10)㊂可以说明氨水的加入量增加会使得溶胶粒径分布半高宽变宽,这是由于硅溶胶胶粒长大以及缩聚速率不同会导致半高宽的增加㊂当R 值较小时,TEOS 的水解速率较小,水解产生的中间产物较少,导致粒径较小且半高宽也较小;当R 较大时,水解反应速率较大,产生的中间体较多,在已产生的中间体发生聚合反应的同时,新水解产生的中间体才刚开始发生聚合反应,所以导致中间体聚合程度大不相同,在粒径变大的同时,半高宽也在不断地增大㊂为了验证上述粒径分析的结果,对不同的R 值样品进行场发射扫描电子显微镜测试,所得到的SEM-EDS 照片如图8所示㊂图中可以看出二氧化硅溶胶粒径依次增大,干燥后二氧化硅粉末粒径分布较为均匀,没有出现团聚现象,多数粒径小于100nm㊂图8(k)和(l)为Si 和O 的元素分布图,从氧㊁硅元素分布情况可以进一步得出制备的二氧化硅溶胶分散均匀且无团聚现象㊂结合上述粒径分布图以及SEM 照片可知,二氧化硅溶胶粒径的大小随着氨水的加入量的增加而变大㊂在以碱性为催化剂的体系中,溶液中存在半径较小的阴离子(OH -),这些阴离子能够直接攻击硅原子核,使得硅原子核带负电并向另一侧的 OR 基团偏移,这种效应使得Si O 键能被削弱最终发生断裂,完成水解反应㊂在碱性体系中,TEOS 的水解速率大于聚合速率,并且水解反应较为完全[17]㊂因此,可以认为缩聚反应是在水解反应完成的基础上进行的,二氧化硅胶粒的大小受到水解速率的控制,水解速率越大,形成的二氧化硅胶粒也就越大㊂由此可见,氨水加入量的增加,间接性地增加了当体系中的阴离子,导致阴离子攻击硅原子核的能力增大,故水解反应的速率也逐渐加大,形成的二氧化硅溶胶粒径也就越大㊂因此,氨水的加入量是影响二氧化硅颗粒大小的重要因素㊂2.3㊀氨水的加入量对二氧化硅溶胶稳定性的影响溶胶-凝胶法制备多用途二氧化硅溶胶和二氧化硅膜时,溶胶的稳定性是一个很重要的影响因素[18-19],第7期熊江敏等:氨水对溶胶-凝胶法制备硅溶胶粒径及稳定性的影响2593㊀本文采用溶胶的团聚度和凝胶时间来评价其稳定性能㊂在制备多用途二氧化硅溶胶时,需要保障溶胶长时间稳定性,凝胶过程较快则导致产品不易于长期保存并失去相应的功能;而制备二氧化硅膜时,则需要调整合适凝胶时间,凝胶时间太长,则制备过程中老化时间消耗长,制备效率低;凝胶时间太短,黏度不易控制,则会影响涂膜的均匀性㊂图8㊀二氧化硅溶胶粉末SEM-EDS 照片㊂(a)~(j)分别为R =1~10时的SEM 照片;(k)~(l)为R =1时硅溶胶的EDS 谱Fig.8㊀SEM-EDS images of silica sol powder.(a)~(j)SEM images of silica sol powder with R =1~10,respectively;(k)~(l)EDS patterns of nano SiO 2(R =1)溶胶的团聚程度可以从图5和图8得出,图5中没有出现其他粒径分布的杂峰,图8中元素分布均匀,都得出所制备的二氧化硅溶胶分布均匀,且无团聚㊂凝胶时间是评价溶胶稳定性的另一手段,凝胶时间的评价标准是指在试管倾斜45ʎ时,液面不发生流动的时间点㊂2594㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷纳米二氧化硅溶胶的凝胶化过程,主要包括四个阶段:1)纳米二氧化硅颗粒表面形成硅氧化学链(Si O 链);2)Si O 链向溶液中缓慢生长;3)Si O 链缠绕在纳米二氧化硅颗粒表面;4)以Si O 链为骨架,形成三维网络凝胶结构[20]㊂因此,纳米二氧化硅溶胶的凝胶化过程既包括硅酸之间的缩合反应,也包括纳米二氧化硅大颗粒的缩合反应㊂硅酸之间的缩合反应遵循双分子亲核取代反应S N2反应机制[21],溶液中的水分子诱导硅酸上硅醇基团质子化,降低缩合反应能垒,硅醇基团的电离又能够促进缩合反应,如图9㊀不同R 值对凝胶时间的影响㊂(a)凝胶时间曲线;(b)溶胶样品图;(c)凝胶样品图Fig.9㊀Influences of different R values on gelation time.(a)Curve of gelation time;(b)graph of sol sample;(c)graph of gel sample Si(OH)3O -之间的二聚反应比Si(OH)4更容易发生,从而促进缩合反应㊂Zhang 等[22]研究了pH 值对硅酸盐溶液中低聚物结构形成的影响,表面在中性pH 值条件下,低聚物呈线性生长,而在较高pH 值条件下,低聚物偏向形成环状㊂正是由于在较高的pH 值下,低聚物偏向于形成环状颗粒物,所形成的纳米二氧化硅颗粒之间的碰撞和聚集,导致了溶胶的凝胶化㊂从图9中R 值对凝胶时间的影响可以看出,随着氨水的用量增加,二氧化硅溶胶的凝胶时间呈先下降再上升的下抛物线趋势,凝胶时间先从684h(R =1)下降到28h(R =5),再上升到780h(R =10)㊂这是因为当氨水加入量过少时,体系中的羟基( OH)含量少,导致水解反应速率慢,水解产物少,产生的硅酸难以接触并发生缩聚反应,从而导致较大的凝胶时间;随着氨水的增加,水解产物Si(OH)3O -逐渐增加,纳米二氧化硅颗粒接触概率上升,凝胶过程加快㊂当体系中羟基含量进一步增加时,此时水解速度很快,但是完全水解形成的Si(OH)4属于一种弱酸,在碱性的体系中少量脱氢后则形成一种强碱,会对其他硅原子核发动攻击,并脱醇聚合或脱水聚合,但是进行这种方式的聚合反应时的位阻效应很大[23],所以聚合速率较慢,阻碍了Si(OH)4的缩聚反应,凝胶时间延长㊂在制备二氧化硅膜时,选择合适的凝胶时间十分重要㊂凝胶时间越短,越不稳定,因为凝胶过程会导致黏度大幅度增加[24],使得在制备二氧化硅膜的涂膜均匀性受到影响;时间越长,则凝胶过程太长,不利于涂膜时机的把握㊂因此,采用氨水作为TEOS 水解催化剂制二氧化硅膜的最佳比例为R =5~7;为了制备高稳定性多用途二氧化硅溶胶时,则需避免使用R =5~7的比例㊂图10㊀不同R 值对二氧化硅溶胶Zeta 电位的影响Fig.10㊀Influences of different R values on Zeta potential of silica sol二氧化硅溶胶的稳定性也可以通过DLVO 理论来解释[25],DLVO 理论认为胶粒在溶胶体系中同时受到双电层斥力以及分子间的范德华引力的作用㊂溶胶的胶核部分由二氧化硅组成,在胶核和溶剂的接触面上水解形成硅羟基键(Si OH)㊂羟基属于极性分子键,因此,胶核表面呈现负电位,水中游离的一些极性水分子和水合氢离子H 3O +被吸附在胶核表面,形成吸附层[26-27]㊂同时,溶液中的水合氢离子H 3O +做布朗运动的过程中受到胶粒的静电吸附作用形成扩散层,与吸附层共同组成微粒的双电层,当双电层电荷的绝对值越低,斥力小,胶粒间相互接触而团聚;当绝对值越大,颗粒之间的静电排斥防止二氧化硅颗粒碰撞和聚集,则溶胶的稳定性增强㊂不同R 值对二氧化硅溶胶Zeta 电位的影响如图10所示,在以氨水为催化剂的溶胶体系中,随着氨水量的加入,Zeta 电位先缓慢上升后降低,其中当R <5时,Zeta 电位均在-10~-25,由双电层理论可知,Zeta 电位的绝对值小于30时,溶胶稳定性较差㊁易于团聚㊂但是,这与溶胶的实际凝胶时间较长不相符,可能的原因是氨水加入量较少,TEOS 水解速率慢,反应产物过少,导致体系中的中间产物难以接触发生聚合反应,所以凝胶时间相对较㊀第7期熊江敏等:氨水对溶胶-凝胶法制备硅溶胶粒径及稳定性的影响2595长㊂当R>5时,Zeta电位从-28.7(R=5)下降到-84.6(R=10),电荷的绝对值逐渐增大,根据双电层理论可知,溶胶越来越稳定,相应溶胶的凝胶时间也逐渐增加,电位的变化与凝胶时间长短相符㊂因此Zeta电位可以用来解释溶胶的稳定性以及溶胶的凝胶时间的变化㊂3㊀结㊀论1)二氧化硅溶胶平均粒径随R的增大呈正相关趋势,从10.17nm(R=1)增加到142.48nm(R=10);胶粒的粒径分布半高宽从9.89nm(R=1)增加171.61nm(R=10),总体呈上升趋势㊂2)建立了氨水的加入量x与二氧化硅溶胶粒径y的函数关系,其拟合函数为y=2.22x1.79,相关性为0.96,具有较好的相关性㊂3)氨水的加入量使二氧化硅溶胶的稳定性先降低然后增加㊂R<5时,随着氨水加入量的增加,二氧化硅溶胶的稳定性逐渐变差;R值>5时,随着氨水加入量的增加,二氧化硅溶胶的稳定性逐渐增强㊂参考文献[1]㊀王庆庆,王锦玲,姜胜祥,等.溶胶-凝胶法设计与制备金属及合金纳米材料的研究进展[J].物理化学学报,2019,35(11):1186-1206.WANG Q Q,WANG J L,JIANG S X,et al.Recent progress in sol-gel method for designing and preparing metallic and alloy nanocrystals[J].Acta Physico-Chimica Sinica,2019,35(11):1186-1206(in Chinese).[2]㊀GUO X Z,ZHANG Q L,DING X G,et al.Synthesis and application of several sol-gel-derived materials via sol-gel process combining with othertechnologies:a review[J].Journal of Sol-Gel Science and Technology,2016,79(2):328-358.[3]㊀MANJUMOL K A,SMITHA V 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硅溶胶的制备方法硅溶胶的制备方法硅溶胶是一种具有多种应用潜力的重要纳米材料。

它具有高比表面积、可控多孔结构和良好的热稳定性等特点，因此在催化、吸附、分离、生物医学和光学等领域有着广泛的应用。

本文将介绍几种常见的硅溶胶制备方法。

1. 酸催化法硅溶胶的酸催化法是最常见和传统的制备方法之一。

它通常在硅石或硅酸盐作为原料的基础上，通过酸性溶液的催化作用，使硅原子聚合形成硅氧键，从而生成硅溶胶。

常用的酸催化剂包括盐酸、硝酸和氢氟酸等。

此方法制备的硅溶胶具有较高的比表面积和孔隙度。

2. 碱催化法碱催化法是另一种常见的硅溶胶制备方法。

它与酸催化法相似，但使用的是碱性溶液进行催化。

碱催化法的优点是反应速度快、可控性好，制备的硅溶胶具有较大的孔隙尺寸和较好的热稳定性。

常用的碱催化剂有氢氧化钠、氢氧化钾和氨水等。

3. 凝胶-溶胶法凝胶-溶胶法是一种较新的硅溶胶制备方法，在该方法中溶胶与凝胶相结合。

首先，通过溶胶法制备出胶体溶胶，然后通过凝胶法将胶体转变为固体凝胶。

这种方法具有制备多种形态硅溶胶的能力，例如纳米颗粒、薄膜和纤维等。

4. 微乳液法微乳液法是一种较新的硅溶胶制备方法，通过调节表面活性剂和溶剂的比例，形成特殊的微乳液体系。

然后，将硅源溶解在微乳液中，在适当条件下，通过热解或水解反应生成硅溶胶。

此方法制备的硅溶胶具有较小的粒径和独特的孔隙结构。

通过以上几种方法，可以制备出具有不同孔隙结构和形态的硅溶胶。

制备方法的选择应根据所需应用和目标性能来确定。

此外，还应对制备过程中的温度、pH值和反应时间等因素进行优化，以获得理想的硅溶胶制备效果。

以上就是硅溶胶的几种常见制备方法的简要介绍。

随着科学技术的不断发展，人们对硅溶胶的制备方法也在不断改进和创新，未来将有更多高效、高纯度的制备方法被提出和应用。

希望本文对您了解硅溶胶制备方法有所帮助。

硅溶胶的制备方法简述目前，硅溶胶的制备主要有两种方法，即凝聚法和分散法。

利用在溶液中的化学反应首先生成SiO2超微粒子，然后通过成核、生长，制得SiO2溶胶的方法为凝聚法；利用机械分散将SiO2微粒在一定条件下分散于水中制得SiO2溶胶的方法，即分散法。

根据使用原料及工艺的不同，上述两种方法可细分成下面多种常见的制备方法。

1.离子交换法用离子交换法制备硅溶胶的历史较长，1941年首先由美国人Bird发明，其后发展迅速，到目前为止该项技术被国内外大多数硅溶胶生产企业所采用。

该方法通常可分为3个步骤：活性硅酸制备，胶粒增长和稀硅溶胶浓缩。

首先，将稀释后的一定浓度的水玻璃依次通过强酸型阳离子交换树脂和阴离子交换树脂，分别除去水玻璃中的钠离子及其它阳离子和阴离子杂质，制得高纯度活性硅酸溶液。

此溶液在酸性条件下不稳定，可用适当的NaOH或氨水调节其PH为8.5-10.5，以提高稳定性。

在此步骤中使用的离子交换树脂应尽快再生。

避免残余的硅酸形成凝胶，使交换柱失效。

然后，将上述硅酸溶液加入到含晶种的母液中，通过控制加入速度和反应温度，使硅溶胶胶粒增长到所需粒径即可。

最后将完成结晶聚合过程的聚硅酸溶液进行加热蒸发浓缩，或超滤浓缩，以得到合适浓度的产品。

如果要进一步进行纯化，可采用离心分离法除去其中杂质，制得高纯硅溶胶。

可见，此方法本身具有不可克服的缺点：一是起始原料水玻璃受离子交换的限制其浓度不能太高，这就致使第3部中的浓缩过程较长，能耗大，不利于能源的节约；二是离子交换树脂再生时会产生大量废水，对水的浪费较大且废水处理需要一定的成本；三是该法工艺程序多，生产周期长，反应过程中影响产品性能的因素众多以至较难控制。

2.直接酸中和法一般采用稀水玻璃作为起始原料，经过离子交换出去钠离子，然后通过制备晶核，直接酸化反应，晶粒长大等步骤可制得硅溶胶。

(1) 离子交换除去钠离子：用离子交换树脂除去原料中的钠离子，制得SiO2/Na2O重量比较大的稀溶胶，稀溶胶中钠离子含量已较低。

DOI:10.3969/j.issn.1009-1815.2011.02.013第29卷第2期2011年6月胶体与聚合物Chinese Journal of Colloid &polymer Vol.29No.2Jun.2011硅溶胶也称胶体二氧化硅，为乳白色的溶胶液，是无定形SiO 2聚集颗粒在水中均匀分散形成的胶体溶液，其分子式可表示为mSiO 2·nH 2O ，胶体粒子的大小在1~100nm 范围内。

硅溶胶粒子的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，如图1所示，胶团中心是胶核，是由大量的SiO 2分子组成的紧密聚合体[1]。

图1硅溶胶的粒子结构由于硅溶胶中SiO 2粒子具有较大的表面活性，经过表面改性又能与有机聚合物混溶，应用于涂料、精密铸造、耐火材料以及电子工业等行业，成为日益引人注目的精细化工产品，有着广阔的应用前景[2]。

根据pH 值范围硅溶胶可分为酸性硅溶胶和碱性硅溶胶。

当pH=7～10，即为碱性硅溶胶，一般较稳定，容易制备粒径大、颗粒均匀的溶胶液。

pH ＜7时为酸性硅溶胶，处于亚稳定状态，放置过久容易逐渐发生凝胶，难以制备高浓度的酸性硅溶胶。

1硅溶胶的稳定机理ζ电位、布朗运动及足够的溶剂阻隔三大因素赋予硅溶胶聚结稳定性和动力稳定性。

然而，胶粒为介稳相，始终存在自发聚结的倾向，三大稳定因素只要有一种被削弱，胶粒就会自动凝结，产生凝胶或聚沉。

按照胶体化学关于溶胶双电层稳定理论及胶体DLVO 理论，相互作用的带电粒子之间主要靠静电作用（吸引能和排斥能的综合作用）而相对稳定存在[3]。

详细解释为：胶团中心的胶粒是由成千上万个SiO 2分子组成的紧密聚合体，它不溶于水，但可以从周围水溶液中有选择性地吸附某种离子，而反离子则以扩散层形式分布在水中，其中一部分反离子密聚在紧密层，另一部分反离子则在扩散层内。

胶核和紧密层一起组成胶粒，胶粒是带电荷的。

一种硅溶胶及其制备方法与流程一、背景硅溶胶作为一种重要的无机材料，具有广泛的应用前景。

它具有高的比表面积、孔隙率、化学稳定性和生物相容性，能够在催化、吸附、分离、传感、生物医学等领域发挥重要功能。

二、制备方法1. 溶胶-凝胶法该方法是制备硅溶胶的传统方法，通过溶剂的蒸发和凝固，形成硅溶胶。

具体步骤包括：（1）将硅源溶解于水或乙醇中，加入催化剂进行水解聚合反应，形成胶体颗粒。

（2）将胶体颗粒在溶剂中凝胶化，获得硅凝胶。

（3）通过干燥，去除溶剂，获得硅溶胶。

该方法具有制备简单、设备成本较低等优点，但存在过程时间长、难以控制孔径大小等问题。

2. 反相微乳化法该方法通过微乳化反相的特性，使硅源在油相中溶解，并在水相中水解聚合，形成硅溶胶。

具体步骤包括：（1）将表面活性剂、无机硅源和溶剂混合均匀。

（2）加入乳化剂、催化剂和水，形成反相微乳化液。

（3）在反相微乳化液中进行水解聚合反应，形成硅溶胶。

（4）通过干燥、煅烧等处理，获得硅溶胶。

该方法具有制备周期短、孔径可调等优点，但需要高质量的表面活性剂、乳化剂和催化剂，成本较高。

三、制备流程以溶胶-凝胶法为例，硅溶胶的制备流程如下：1. 准备硅源、催化剂和溶剂。

2. 将硅源溶解于溶剂中，加入催化剂进行水解聚合反应。

3. 在反应过程中搅拌稳定胶体颗粒，调节pH值和温度。

4. 将胶体颗粒在溶剂中凝胶化，并进行固化处理。

5. 通过干燥、煅烧等处理，得到硅溶胶。

四、应用前景硅溶胶具有广泛的应用前景，其中一些典型应用如下：1. 催化剂载体：由于硅溶胶具有高比表面积和孔隙率，能够作为高效的催化剂载体。

2. 生物医学：硅溶胶具有良好的生物相容性和化学稳定性，能够应用于药物缓释、生物传感器等领域。

3. 污染治理：硅溶胶能够吸附污染物，如重金属离子、有机物等，在废水处理和环境治理中具有潜在应用价值。

总之，硅溶胶的制备和应用具有很大的应用前景，将会在各个领域发挥重要作用。