一種低鈉離子含量高純硅溶膠的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及硅溶膠的制備方法，更具體地說(shuō)，涉及一種低鈉離子含量高純硅溶膠的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]硅溶膠是二氧化硅的膠體微粒分散于水中的膠體溶液，為無(wú)定形S12粒子在水中形成的穩(wěn)定分散體系。作為一種重要的無(wú)機(jī)高分子材料，硅溶膠已廣泛應(yīng)用于化工、精密鑄造、紡織、造紙、涂料、食品、電子、選礦等領(lǐng)域。
[0003]由于普通硅溶膠鈉離子含量過(guò)高，只能用于工業(yè)鑄造等行業(yè)，而高純度硅溶膠主要應(yīng)用于半導(dǎo)體拋光、催化劑載體的制備、顯像管粘合劑、玻璃纖維等行業(yè)，因此，開發(fā)一種工藝簡(jiǎn)單、成本低廉的高純硅溶膠方法，對(duì)于硅溶膠的產(chǎn)業(yè)的升級(jí)換代顯得尤為重要。
[0004]目前比較成熟的硅溶膠工業(yè)生產(chǎn)方法主要包括(I)離子交換法(2)單質(zhì)硅一步水解法，其他工藝大多仍處于實(shí)驗(yàn)室研宄階段。兩種生產(chǎn)方法的工藝簡(jiǎn)述如下:
[0005](I)離子交換反應(yīng)
[0006]首先將水玻璃用蒸餾水稀釋，按一定流速通過(guò)陽(yáng)離子交換樹脂層，使水玻璃中Na+與陽(yáng)離子交換樹脂上的H+進(jìn)行離子交換，并隨時(shí)取樣檢查。此時(shí)，水玻璃中的Na +已被去除，H+與水玻璃中的S1 32_離子化合成具有活性的聚硅酸溶液稀液流出。離子交換反應(yīng)式為
[0007]2RSi03H+Na20.nSi02— 2RS1 3Na+ (nSi02+H20)
[0008]陽(yáng)柱硅溶膠
[0009]經(jīng)離子交換后生成的聚硅溶液pH為2-3，需加入少量的穩(wěn)定劑如NaOH溶液。并迅速攪使溶膠很快達(dá)到PH = 8.5-10.5，即溶液呈穩(wěn)定狀態(tài)的區(qū)域。
[0010](2)單質(zhì)硅溶解法
[0011]單質(zhì)硅溶解法是近年來(lái)興起的一種制備硅溶膠的新工藝，目前國(guó)內(nèi)新上硅溶膠項(xiàng)目多采用此方法。制備理是:單質(zhì)硅在堿的催化作用下，與水反應(yīng)，生成水合硅酸，水合硅酸在水中逐漸聚合，由單體自行脫水漸漸聚合成二元體、三元體乃至多元體，即成為水合硅酸的水溶液，就是硅溶膠。
[0012]單質(zhì)硅溶解工藝制備硅溶膠的流程如圖1所示，用去離子水作為溶解介質(zhì)，將純硅粉加入其中，加人適量堿催化劑，然后將整個(gè)溶解裝置進(jìn)行加熱，反應(yīng)后即可得硅溶膠成品O
[0015]為了制備出高純度的硅溶膠專利CN1155514A公開了“高純度、高濃度、高均勻顆粒分布的大顆粒二氧化硅溶膠的制造方法”該方法，利用兩次離子交換，并加入硫酸、草酸除雜。最后經(jīng)過(guò)氨離子交換，制備成氨穩(wěn)定的硅溶膠，雖然利用該方法能夠制備出高純的硅溶膠，但工藝流程長(zhǎng)，反復(fù)進(jìn)行離子交換，成本高，專利CN1064878A公開了“高純超細(xì)硅溶膠的的制備方法”該發(fā)明將叔胺與環(huán)氧烷烴反應(yīng)生成有機(jī)堿，在堿性條件下，水解正硅酸乙酯，形成硅溶膠。利用該方法主要是制備電子顯像管用的高純硅溶膠。專利EP0504467A1公開了 “一種高純硅溶膠的制備方法”其利用硅酸鈉為原料通過(guò)以下步驟制備高純硅溶膠:
[0016]I)稀硅酸鹽溶液用陽(yáng)離子交換樹脂交換得到酸性硅酸；
[0017]2)加強(qiáng)酸，硫酸、硝酸、草酸陳化；
[0018]3)再經(jīng)陰陽(yáng)離子樹脂交換，進(jìn)一步除離子；
[0019]4)取部分用鉀、鈉堿穩(wěn)定作為底液；
[0020]5)底液加熱并在堿穩(wěn)定下加入活性硅酸，使顆粒生長(zhǎng)，并在沸騰下蒸發(fā)出水量和加入的活性硅酸量相等；
[0021]6)再經(jīng)陰陽(yáng)離子交換除掉堿穩(wěn)定引入的金屬離子；
[0022]7)攪拌下加氨實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定化制得硅溶膠。
[0023]在上述幾篇專利文獻(xiàn)中為了得到高純度的硅溶膠，往往需要經(jīng)過(guò)幾次離子交換，樹脂需要反復(fù)的再生，浪費(fèi)了大量的人力、物力，造成環(huán)境污染。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0024]針對(duì)目前硅溶膠的生產(chǎn)高純硅溶膠方法的不足，降低污染、減少生產(chǎn)成本，我們發(fā)明了一種低鈉離子含量的高純硅溶膠的生產(chǎn)法，利用該方法，原料易得、工藝簡(jiǎn)單，易于工業(yè)化。
[0025]本發(fā)明采用工業(yè)硅酸鈉為原料，利用凝膠-膠溶方法制備出分布窄、鈉離子含量低的高純硅溶膠。
[0026]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種低鈉離子含量高純硅溶膠的制備方法，該方法包括如下步驟:
[0027]I)配料:將模數(shù)為3.3?3.4的工業(yè)硅酸鈉加水配制成3?6wt%的硅酸鈉水溶液，工業(yè)硫酸加水配制成20?30wt%的硫酸水溶液；
[0028]2)凝膠制備:將步驟I)配制的硅酸鈉水溶液加入反應(yīng)罐，保持?jǐn)嚢杷俣?0?150轉(zhuǎn)/分，升溫至30?40°C，以200?300ml/min的速度加入步驟I)配制的硫酸水溶液至pH為I?2，升溫至60?80°C保溫3?4小時(shí)得到凝膠；
[0029]3)水洗:將步驟2)制備得到的凝膠加入抽濾罐、加電導(dǎo)率在2?5 μ s/cm的去離子水進(jìn)行水洗，水洗至洗滌水電導(dǎo)率至50 μ s/cm以下為止；
[0030]4)膠溶:將步驟3)水洗得到的濾餅轉(zhuǎn)入膠溶罐，加去離子水調(diào)整二氧化硅濃度至8-10wt%，在攪拌速度80?100轉(zhuǎn)/分下攪拌20?30分鐘，加入化學(xué)純氨水調(diào)整料漿pH至9?10，升溫至120?150°C并保溫3?4小時(shí)；
[0031]5)過(guò)濾:將步驟4)得到的產(chǎn)物，進(jìn)行過(guò)濾除掉沒(méi)反應(yīng)的凝膠得到澄清的硅溶膠溶液；
[0032]6)濃縮:將步驟5)制得的硅溶膠濃縮至濃度40?41wt%，鈉離子含量小于0.0lwt % ο
[0033]本發(fā)明方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有操作簡(jiǎn)單，易于工業(yè)化的特點(diǎn)，并且采用本發(fā)明方法制備得到硅溶膠具有鈉離子含量低、硅溶膠的濃度高的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
圖1是單質(zhì)硅溶解工藝制備硅溶膠的流程圖。
【具體實(shí)施方式】:
[0034]為了使本發(fā)明方法更加便于理解，下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明所述的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說(shuō)明，但是本發(fā)明不僅限于此。
[0035]實(shí)施例1.
[0036]1、配料:配制3wt%的娃酸鈉水溶液1000克，配制硫酸30wt%的水溶液若干備用；
[0037]2、凝膠制備:將配制的硅酸鈉水溶液1000克加入反應(yīng)罐，保持?jǐn)嚢杷俣?0轉(zhuǎn)/分，升溫至40°C，以300ml/min的加料速度加入配制好的硫酸水溶液至pH為I?2，升溫至80°C保溫3小時(shí)；
[0038]3、水洗:將上述凝膠加入抽濾罐、用去離子水進(jìn)行水洗(去離子水電導(dǎo)率保持在2?5 μ s/cm);水洗至洗滌水電導(dǎo)率至20 μ s/cm以下；
[0039]4、膠溶:將水洗后的濾餅轉(zhuǎn)入膠溶罐，加去離子水調(diào)整二氧化硅濃度8%，在攪拌速度80轉(zhuǎn)/分下攪拌30分鐘，加入化學(xué)純氨水調(diào)整料漿至pH為9?10，升溫至120°C并保溫4小時(shí)；
[0040]5、過(guò)濾:將步驟4)得到的產(chǎn)物，進(jìn)行過(guò)濾除掉沒(méi)反應(yīng)的凝膠得到澄清的硅溶膠溶液。
[0041]6濃縮:將制得的硅溶膠溶液濃縮至40wt%，鈉離子含量0.0087wt%。
[0042]實(shí)施例2.
[0043]1、配料:配制4wt%的硅酸鈉水溶液1000克，配制硫酸30wt%的水溶液若干備用；
[0044]2、凝膠制備:將配制的硅酸鈉水溶液1000克加入反應(yīng)罐，保持?jǐn)嚢杷俣?0轉(zhuǎn)/分，升溫至40°C，以300ml/min的加料速度加入配制好的硫酸水溶液至pH為I?2，升溫至70°C保溫3小時(shí)。
[0045]3、水洗:將上述凝膠加入抽濾罐、用去離子水進(jìn)行水洗(去離子水電導(dǎo)率保持在2?5 μ s/cm);水洗至洗滌水電導(dǎo)率至20 μ s/cm以下。
[0046]4、膠溶:將水洗后的濾餅轉(zhuǎn)入膠溶罐，加去離子水調(diào)整二氧化硅濃度8wt%，在攪拌速度80轉(zhuǎn)/分下攪拌20分鐘，加入化學(xué)純氨水調(diào)整料漿至pH9?10.升溫至130°C并保溫4小時(shí)形成硅溶膠；
[0047]5、過(guò)濾:將得到的硅溶膠，進(jìn)行過(guò)濾除掉沒(méi)反應(yīng)的凝膠得到澄清的硅溶膠溶液；
[0048]6濃縮:將制得的硅溶膠濃縮至濃度40.5wt%,鈉離子含量0.009wt%。
[0049]實(shí)施例3.
[0050]1、配料:配制5wt%的娃酸鈉水溶液1000克，配制硫酸30wt%的水溶液若干備用；
[0051]2、凝膠制備:將配制的5被％的硅酸鈉水溶液1000克加入反應(yīng)罐，保持?jǐn)嚢杷俣?00轉(zhuǎn)/分，升溫至30°C，以200ml/min的速度加入配制好的硫酸水溶液至pH為I?2，升溫至70°C保溫3小時(shí)；
[0052]3、水洗:將上述凝膠加入抽濾罐、用去離子水進(jìn)行水洗(去離子水電導(dǎo)率保持在2?5 μ s/cm)，水洗至洗滌水電導(dǎo)率至20 μ s/cm以下；
[0053]4、膠溶:將水洗后的濾餅轉(zhuǎn)入膠溶罐，加去離子水調(diào)整二氧化硅濃度9wt%，在攪拌速度90轉(zhuǎn)/分下攪拌20分鐘，加入化學(xué)純氨水調(diào)整料漿至pH9?10.升溫至150°C并保溫3小時(shí)形成硅溶膠；
[0054]5、過(guò)濾:將得到的硅溶膠，進(jìn)行過(guò)濾除掉沒(méi)反應(yīng)完的凝膠得到澄清的硅溶膠溶液；
[0055]6濃縮:將制得的硅溶膠濃縮至濃度40.2wt%,鈉離子含量0.006wt%。
[0056]實(shí)施例4.
[0057]1、配料:配制6wt%的娃酸鈉水溶液1000克，配制硫酸20wt%的水溶液若干備用；
[0058]2、凝膠制備:將配制的6wt %的硅酸鈉水溶液1000克加入反應(yīng)罐，保持?jǐn)嚢杷俣?50轉(zhuǎn)/分，升溫至30°C，以200ml/min的速度加入配制好的硫酸水溶液至pH為I?2，升溫至60°C保溫3小時(shí)。
[0059]3、水洗:將上述凝膠加入抽濾罐、用去離子水進(jìn)行水洗(去離子水電導(dǎo)率保持在2?5 μ s/cm)。水洗至洗滌水電導(dǎo)率至50 μ s/cm以下。
[0060]4、膠溶:將水洗后的濾餅轉(zhuǎn)入膠溶罐，加去離子水調(diào)整二氧化硅濃度9wt%，在攪拌速度100轉(zhuǎn)/分下攪拌30分鐘，加入化學(xué)純氨水調(diào)整料漿至pH為9?10，升溫至150°C并保溫4小時(shí)。
[0061]5、過(guò)濾:將得到的硅溶膠，進(jìn)行過(guò)濾除掉沒(méi)反應(yīng)完的凝膠得到澄清的硅溶膠溶液。
[0062]6濃縮:將制得的硅溶膠濃縮至濃度40wt%，鈉離子含量0.005wt%。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種低鈉離子含量高純硅溶膠的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: .1)凝膠制備:將3?6wt%的硅酸鈉水溶液加入反應(yīng)罐，保持?jǐn)嚢杷俣?0?150轉(zhuǎn)/分，升溫至30?40°C，以200?300ml/min的速度加入20?30wt%的硫酸水溶液至pH為I?2，升溫至6080°C保溫3?4小時(shí)得到凝膠； .2)水洗:將步驟2)制備得到的凝膠加入抽濾罐、加電導(dǎo)率在2?5μ s/cm的去離子水進(jìn)行水洗，水洗至洗滌水電導(dǎo)率至50 μ s/cm以下為止； .3)膠溶:將步驟3)水洗得到的濾餅轉(zhuǎn)入膠溶罐，加去離子水調(diào)整二氧化硅濃度至8-10wt%，在攪拌速度80?100轉(zhuǎn)/分下攪拌20?30分鐘，加入化學(xué)純氨水調(diào)整料漿pH至9?10，升溫至120?150°C并保溫3?4小時(shí)； .4)過(guò)濾:將步驟3)得到的產(chǎn)物，進(jìn)行過(guò)濾除掉沒(méi)反應(yīng)的凝膠得到澄清的硅溶膠溶液； .5)濃縮:將步驟5)制得的硅溶膠濃縮至濃度為40?41wt%，鈉離子含量小于0.0lwt % ο
【專利摘要】本發(fā)明為一種低鈉離子含量高純硅溶膠的制備方法，該方法包括：以工業(yè)硅酸鈉和硫酸為原料，配制成3～6wt％的硅酸鈉水溶液和20～30wt％的硫酸水溶液；將硅酸鈉水溶液加入反應(yīng)罐，在攪拌轉(zhuǎn)速80-150轉(zhuǎn)/分下，升溫至30-40℃，加入硫酸水溶液至pH為1～2，升溫至60～80℃保溫3～4小時(shí)；然后加去離子水進(jìn)行水洗至洗滌水電導(dǎo)率至20μs/cm以下；將水洗后的濾餅轉(zhuǎn)入膠溶罐，加去離子水調(diào)整二氧化硅濃度8～10wt％，在攪拌速度80～100轉(zhuǎn)/分下，攪拌20～30分鐘，加入化學(xué)純氨水調(diào)整料漿pH為9～10，升溫至120～150℃并保溫3-4小時(shí)得到的硅溶膠，進(jìn)行過(guò)濾得到澄清的硅溶膠溶液；最后進(jìn)行濃縮制得的硅溶膠濃縮至濃度40～41wt％，鈉離子含量小于0.01％。
【IPC分類】C01B33-14
【公開號(hào)】CN104860322
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510229620
【發(fā)明人】胡毅, 于海斌, 劉紅光, 周靖輝, 劉峰, 潘月秋, 季超, 姜雪丹
【申請(qǐng)人】中國(guó)海洋石油總公司, 中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院, 中海油能源發(fā)展股份有限公司
【公開日】2015年8月26日
【申請(qǐng)日】2015年5月7日