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老物新說(shuō)，你不認(rèn)識(shí)的硅溶膠
發(fā)布時(shí)間：2023-10-16 點(diǎn)擊次數(shù)：661
硅溶膠是什么？如果直接來(lái)一段這樣的介紹，你會(huì)不會(huì)感到困惑呢：硅溶膠是一種性能優(yōu)良的納米材料，是無(wú)定形二氧化硅顆粒在水或有機(jī)溶劑中均勻分散形成的膠體溶液，是用途極為廣泛的無(wú)機(jī)高分子材料。
好像腦海里有一些概念了，但還是有一點(diǎn)不明覺(jué)厲的感覺(jué)。別急，先把硅溶膠本身放在一邊，先看看硅溶膠和我們的生活的密切聯(lián)系，看完就明白硅溶膠都能做什么了。
硅溶膠的應(yīng)用 ：
電子工業(yè)
70多年來(lái)，電子工業(yè)急速發(fā)展，光電產(chǎn)品對(duì)襯底材料需求量的日益增加，襯底時(shí)需要很好的平整度，化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)（CMP）是機(jī)械磨削和化學(xué)腐蝕的組合技術(shù)，用于在各種材料上實(shí)現(xiàn)原子級(jí)超光滑表面，也是公認(rèn)唯一能實(shí)現(xiàn)全局平面化的技術(shù)。
該工藝已被廣泛運(yùn)用于硅片的精拋和粗拋，還有半導(dǎo)體器件、多晶化模組、平面顯示器、光導(dǎo)攝像管、微電機(jī)系統(tǒng)等加工過(guò)程。特別是在大規(guī)模集成電路中，用于多層化薄膜的平坦化加工等。
拋光液在CMP中扮演重要的角色，而最廣泛使用的就是硅溶膠了，亞微米或納米級(jí)的SiO2磨粒和化學(xué)溶液組成的拋光液在工件與拋光墊之間流動(dòng)，并產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，工件表面形成的化學(xué)反應(yīng)物由SiO2磨粒的機(jī)械作用去除，即在化學(xué)成膜和機(jī)械去膜的交替過(guò)程中實(shí)現(xiàn)超精密表面加工。
紡織工業(yè)
硅溶膠在織物的染色過(guò)程使用后，能夠大大增強(qiáng)顏料與織物的粘附力，均勻度和牢度得到增加，有效的避免了顏料的凝聚。
如果將合毛油加入到硅溶膠中用于纖維的制造過(guò)程，不僅能大大提高生產(chǎn)效率，得到高支數(shù)的纖維產(chǎn)品，而且也使纖維之間的抱合力、抗張力得到增強(qiáng)和增大。同樣，若將硅溶膠把樹(shù)脂進(jìn)行處理后，能夠使樹(shù)脂的耐洗滌和抗磨損能力增強(qiáng)，有效防止合成纖維的滑動(dòng)。
涂料
由于硅溶膠的顆粒較細(xì)微，當(dāng)其發(fā)生析膠時(shí)所形成的氧化硅活性較高，而與某些金屬氧化物、無(wú)機(jī)鹽形成新的硅酸鹽無(wú)機(jī)高分子化合物后成膜效果也好；當(dāng)細(xì)小的顆粒通過(guò)超強(qiáng)的滲透力進(jìn)入基材后與其中的堿性物質(zhì)生成CaCO3后，形成具有較強(qiáng)附著力的涂膜層。
耐火材料
以溶膠為粘結(jié)劑可燒結(jié)工業(yè)陶瓷器件，如耐火磚、高溫瓷管，可用于硅酸鋁纖維燒制保溫器材，如毛管，還可以與短纖維制成涂料，對(duì)高大爐體實(shí)施保溫，與其它粘結(jié)劑相比，所制得的器材，在堅(jiān)固耐用，耐高溫，保溫等諸多的性能方面都有較大的改進(jìn)和提高。 不定形耐火材料制備過(guò)程中，通常采用硅溶膠作為結(jié)合劑，主要是因?yàn)槠渲胁缓械腿埸c(diǎn)氧化物，在高溫下不會(huì)導(dǎo)致耐火材料性能惡化。
造紙工業(yè)
硅溶膠在與單硬脂甘油酯混合處理后用于玻璃紙和塑料薄膜上可有效的防止夏季發(fā)粘問(wèn)題。為了提高紙品的強(qiáng)度和防滑性、耐濕性，盡量避免在運(yùn)輸過(guò)程中紙層之間的滑動(dòng)，牛皮紙和瓦楞紙的表面通常亦采用硅溶膠加以處理。
同樣為了使非灰復(fù)寫(xiě)紙的色澤變得更鮮明，在其生產(chǎn)過(guò)程中，通常釆用硅溶膠取代滑石粉、粘土等粉涂層。
感光紙和膠印紙的預(yù)涂層，在用硅溶膠和感光液的混合液處理后，紙面變得更加平滑，感光紙的影像更加鮮明，并增大其曝光范圍。
其他方面
在靜電植絨技術(shù)上，酸性的硅溶膠是作為絨毛處理劑的主要成分，在纖維表面形成的硅烷醇基可有效改善植絨毛的帶電性，解決纖維具有親水性問(wèn)題。
作為添加劑，硅溶膠還廣泛應(yīng)用于制作藥物及牙膏當(dāng)中，還可作為催化劑載體使用等。
由于硅溶膠所具有的表面積大，并且呈球型顆粒狀分散在溶液中，使其在噴墨涂層中的光學(xué)密度和打印清晰性佳、能夠快速使油墨變干，并且分散性好、減少基料中粘合劑的用料，節(jié)約成本、減少工藝。
什么是硅溶膠
看完這些，就一個(gè)感覺(jué)，硅溶膠用處也太廣了吧！性能這么好的硅溶膠到底是什么，為什么能有這樣的性能？總結(jié)來(lái)說(shuō)一句話，快告訴我究竟什么是硅溶膠！
硅溶膠也稱(chēng)膠體二氧化硅，為乳白色的溶膠液，無(wú)臭、無(wú)毒，分子式
可表示為mSiO2·H2O。硅溶膠的優(yōu)異性能離不開(kāi)其結(jié)構(gòu)的支撐，硅溶膠的膠團(tuán)結(jié)構(gòu)像，下面這樣：
硅溶膠膠團(tuán)結(jié)構(gòu)示意圖
是不是充滿了對(duì)稱(chēng)重復(fù)的一種美感，這種結(jié)構(gòu)，膠團(tuán)中心是膠核，它是由成千上萬(wàn)個(gè)分子組成的緊密聚合體。膠核不溶于水，它可以從周?chē)芤褐杏羞x擇性地吸附某種離子，而反離子則一部分密聚在吸附層內(nèi)，另一部分以擴(kuò)散層形式分布在水中。
而硅溶膠的粒子結(jié)構(gòu)如下圖所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)為硅氧烷鍵(-Si-O-Si-)，表面層由許多硅氧醇基(-SiOH)和羥基(-OH)所覆蓋，它們同膠體溶液中存在的堿金屬離子一起形成擴(kuò)散雙電層，粒子間的靜電作用對(duì)膠體溶液的穩(wěn)定起重要作用。
硅溶膠的粒子結(jié)構(gòu)
硅溶膠的制備
自硅溶膠問(wèn)世以來(lái)，對(duì)其制備方法的研究非?；钴S。就原理而言，硅溶膠有2種制備方法，分別為凝聚法與分散法。就工藝而言，有硅溶解法、離子交換法、膠溶法、分散法等。
硅溶解法
采用無(wú)機(jī)或有機(jī)堿作催化劑，以單質(zhì)硅與純水反應(yīng)來(lái)制備硅溶膠的方法稱(chēng)為硅溶解法。
該法的優(yōu)點(diǎn)是硅溶膠成品中雜質(zhì)含量少，二氧化硅的膠粒粒形、粒徑、黏度、pH值、密度、純度等易控制，膠粒外形圓整均勻，結(jié)構(gòu)致密，硅溶膠的穩(wěn)定性較好。
離子交換法
是目前比較成熟，使用較廣的一種方法。通常分為兩個(gè)步驟：
1.活性硅酸制備 一般采用強(qiáng)酸型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂去除水玻璃中的鈉離子，聯(lián)用弱堿型陰離子交換樹(shù)脂去除體系中的雜質(zhì)陰離子。活性硅酸在室溫中不穩(wěn)定，應(yīng)盡快進(jìn)行下一步工序。
2.膠粒增長(zhǎng)和濃縮。 將水玻璃經(jīng)陽(yáng)離子交換樹(shù)脂生成活性硅酸后，一類(lèi)是先用稀堿穩(wěn)定， 然后進(jìn)行粒徑增長(zhǎng)和濃縮。另一種是先進(jìn)行粒徑增長(zhǎng)，然后再選擇合適的工藝濃縮。
濃縮的方法有物理及化工分離法，如加熱蒸發(fā)濃縮、超濾濃縮等都是較有效的濃縮方法，將溶液中SiO2的濃度提高到硅溶膠的濃度。
膠溶法
膠溶法制備硅溶膠是先用酸中和水玻璃溶液形成凝膠，所得凝膠經(jīng)過(guò)濾，水洗，然后加稀堿溶液，在加壓加熱條件下解膠即得溶膠。
該法制得的硅溶膠粒徑分布較寬，純度較低。
酸中和法
酸中和法一般采用稀水玻璃作為起始原料，稀硫酸等無(wú)機(jī)酸作為酸化劑。根據(jù)酸用量的不同，可制備酸性或堿性硅溶膠。 具體工藝步驟包括離子交換去除鈉離子、制備晶核、酸中和反應(yīng)、晶粒增長(zhǎng)。
酸中和法制得的硅溶膠一般雜質(zhì)離子含量較高，穩(wěn)定性較差。
小結(jié)
大粒徑，高穩(wěn)定性的硅溶膠才具有工業(yè)生產(chǎn)價(jià)值，我國(guó)自上世紀(jì)50年代就開(kāi)始生產(chǎn)硅溶膠產(chǎn)品，但品種與產(chǎn)量都與國(guó)外有很大差距。生產(chǎn)硅溶膠產(chǎn)品粒徑偏小，均勻性差等問(wèn)題一直都制約著國(guó)內(nèi)企業(yè)的發(fā)展。
工業(yè)上生產(chǎn)的溶膠產(chǎn)量較大，但粒徑較小，濃度較低。應(yīng)該進(jìn)一步優(yōu)化工藝條件，開(kāi)發(fā)新工藝，生產(chǎn)出高濃度，顆粒更大，粒度分布更窄，穩(wěn)定性更好的硅溶膠，并找到低能耗、高產(chǎn)值、污染小的生產(chǎn)路線。
開(kāi)發(fā)出更多性能優(yōu)良的硅溶膠以適應(yīng)更加廣泛的領(lǐng)域需求，是未來(lái)硅溶膠應(yīng)用研究的重要方向。
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