一种二氧化硅水溶胶及其制备方法和应用的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种二氧化硅水溶胶的制备方法，该方法包括以下步骤：S1、将有机硅酸酯和水在酸性催化剂的作用下反应生成酸性二氧化硅水溶胶，二氧化硅水溶胶中二氧化硅的质量为二氧化硅水溶胶总质量的0.001-0.1wt%，然后加入碱液调节pH值为8-11；S2、加热搅拌步骤S1中的二氧化硅水溶胶，然后向其中滴加有机硅酸酯，有机硅酸酯完全水解后，得到本发明的二氧化硅水溶胶。本发明还提供了由该方法制备得到的二氧化硅水溶胶和该二氧化硅水溶胶在水性涂料中的应用。本发明的二氧化硅水溶胶的制备方法以有机硅酸酯和水为原料，具有廉价易得的特点，且生产过程不需要昂贵的设备。对环境无污染，有很好的成膜性能。
【专利说明】一种二氧化硅水溶胶及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于纳米材料领域，尤其涉及一中二氧化硅水溶胶及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002] 硅溶胶是无定型二氧化硅聚集颗粒在水中均匀分散形成的胶体溶液。作为一种重 要的无机高分子材料，已广泛应用于化工、精密铸造、纺织、造纸、材料、涂料及电子领域。
[0003] 在现有技术中，制备二氧化硅水溶胶的方法主有以下几种： 一、以美国杜邦公司和纳尔科公司为代表的离子树脂交换法，该法以水玻璃为原料，经 离子交换反应、晶种的制备、晶体的长大、浓缩步骤和纯化步骤制备出不同规格溶胶产品。 该法的主要缺点是能耗大，且在生产硅溶胶时，需要用大量的离子交换树脂去将硅酸盐转 化为硅酸，使用后的树脂还需用大量的酸、碱和纯水去清洗再生，从而产生大量的废液，造 成环境污染。
[0004] 二、Stober法生产硅溶胶，该方法是将具有水解性的有机硅醇盐进行水解。由于 水与有机硅醇盐不互溶，因此需要加入乙醇、丙醇等有机共溶剂，才使水解反应可控，得到 粒度均匀的硅溶胶。为了得到水性硅溶胶，该方法还需经过加热蒸发或通过溶剂置换等步 骤。该方法的主要缺点有原料成本高、大量的有机溶剂污染等。
[0005] 三、二氧化硅分散法，该法是直接将二氧化硅粉末通过机械的方法分散在水中。该 法目前仅在实验室中研究，其主要缺点有：受限于二氧化硅粉末粒径的大小，制备出的硅溶 胶粒径不可能大于二氧化硅粉末原料的粒径；由于仅仅是简单的物理分散，容易使分散颗 粒重新团聚，分散得到的硅溶胶稳定性也不好。
[0006] 四、单质硅粉溶解法，该法制备硅溶胶的流程为：原料的选择；催化加热溶解；蒸 发去水；收集硅溶胶成品。其中原料的选择根据需要可选用纯度较高的单质纯硅，也可直接 采用工业用单质纯硅。催化加热溶解过程为将单质纯硅置于软水溶解介质中，加入适量催 化剂，并将整个溶解装置进行加热，反应后可得硅溶胶稀成品。将上述制成品经蒸发去水、 分离催化剂后可得硅溶胶成品。单质硅一步溶解法的特点是通过原料纯硅的选择，克服离 子交换法中原料水玻璃杂质对硅溶胶品质的不利影响，是一种具有研究、开发价值的硅溶 胶制备方法。但该法最大的缺点是硅粉转化率过低，反应时间长，从而提高了生产成本和周 期。
【发明内容】
[0007] 本发明为解决现有的二氧化硅水溶胶的制备方法存在过程复杂、成本高、成膜性 能差的技术问题，提供一种方法简单、成本低、成膜性能好的二氧化硅水溶胶的制备方法和 有该方法制备得到的二氧化硅水溶胶及该二氧化硅水溶胶的应用。
[0008] 本发明提供了一种二氧化硅水溶胶的制备方法，该方法包括以下步骤： S1、将有机硅酸酯和水在酸性催化剂的作用下反应生成酸性二氧化硅水溶胶，二氧化 硅水溶胶中二氧化硅的质量为二氧化硅水溶胶总质量的0. 001-0. lwt%，然后加入碱液调节 pH 值为 8-11 ; S2、加热搅拌步骤SI中的二氧化硅水溶胶，然后向其中滴加有机硅酸酯，有机硅酸酯 完全水解后，得到本发明的二氧化硅水溶胶。
[0009] 本发明的二氧化硅水溶胶的制备方法中，与现有方法相比，本方法以有机硅酸酯 和水为原料，具有廉价易得的特点，且生产过程不需要昂贵的设备。另外，由于生产过程中 不需要有机溶剂，对环境无污染。
[0010] 本发明还提供了一种二氧化硅水溶胶，该二氧化硅水溶胶由本发明所述的方法制 备得到。
[0011] 本发明还提供了该二氧化硅水溶胶在水性涂料中的应用。
[0012] 本发明的二氧化硅水溶胶有很好的成膜性能。
【具体实施方式】
[0013] 为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合 实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释 本发明，并不用于限定本发明。
[0014] 本发明提供了 一种二氧化硅水溶胶的制备方法， 该方法包括以下步骤： 51、 将有机硅酸酯和水在酸性催化剂的作用下反应生成酸性二氧化硅水溶胶，二氧化 硅水溶胶中二氧化硅的质量为二氧化硅水溶胶总质量的0. 001-0. lwt%，然后加入碱液调节 PH 值为 8-11 ; 52、 加热搅拌步骤Sl中的二氧化硅水溶胶，然后向其中滴加有机硅酸酯，有机硅酸酯 完全水解后，得到本发明的二氧化硅水溶胶。
[0015] 有机硅酸酯和水在酸性条件下不断进行反应，最终Si-R键变成了 Si-〇H。Si-OH 键之间再进行一定程度的缩聚反应，得到-Si-O-Si-的长链结构，侧链分布有-OH基团。如 果不加以控制，这些-OH基团在室温下也可以不断的缩聚，从而形成三维网状结构，导致凝 胶。本发明中加碱液调节PH值到碱性状态，可以抑制链状结构的缩聚，使溶胶长期稳定，为 了使链状结构的长度较短，酸性二氧化硅溶胶不能存放过久。而在碱性状态下，-OH基团较 为稳定，它们与水分子形成了水合状态，使链状结构卷曲成团状，而使-OH基团朝外。
[0016] 有机硅酸酯和水在酸性条件下的反应过程如下：
【权利要求】
1. 一种二氧化硅水溶胶的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤： 51、 将有机硅酸酯和水在酸性催化剂的作用下反应生成酸性二氧化硅水溶胶，二氧化 硅水溶胶中二氧化硅的质量为二氧化硅水溶胶总质量的0. 001-0. lwt%，然后加入碱液调节 pH 值为 8-11 ; 52、 加热搅拌步骤S1中的二氧化硅水溶胶，然后向其中滴加有机硅酸酯，有机硅酸酯 完全水解后，得到本发明的二氧化硅水溶胶。
2. 根据权利要求1所述的二氧化硅水溶胶的制备方法，其特征在于，步骤S1包括先反 应生成的二氧化硅水溶胶浓缩液，所述浓缩液中二氧化硅的质量为二氧化硅水溶胶浓缩液 总质量的l-l〇wt% ;然后向其中加入去离子水进行稀释得到二氧化硅水溶胶，所述二氧化 硅水溶胶中二氧化硅的质量为二氧化硅水溶胶总质量的0. 001-0. lwt%。
3. 根据权利要求1所述的二氧化硅的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中加入的有 机硅酸酯的质量为步骤S1中得到的二氧化硅水溶胶的总质量的5-50wt%。
4. 根据权利要求3所述的二氧化硅的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中加入的有 机硅酸酯的质量为步骤S1中得到的二氧化硅水溶胶的总质量的7-18wt%。
5. 根据权利要求1所述的二氧化硅的制备方法，其特征在于，所述碱液为氨水、氢氧化 钠和氢氧化钾中的至少一种。
6. 根据权利要求1所述的二氧化硅水溶胶的制备方法，其特征在于，所述有机硅酸酯 为正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、乙烯基三乙氧基硅氧烷、甲基三乙氧基硅烷和乙基三甲氧基硅 烷中的至少一种。
7. 根据权利要求1所述的二氧化硅水溶胶的制备方法，其特征在于，所述酸性催化剂 为硝酸、盐酸和硫酸中的至少一种。
8. -种二氧化硅水溶胶，其特征在于，所述二氧化硅水溶胶由权利要求1-5任意一项 所述的方法制备得到。
9. 一种权利要求8所述的二氧化硅水溶胶的用途，其特征在于，用于水性涂料中。
10. 根据权利要求9所述的二氧化硅水溶胶用途，其特征在于，以所述水性涂料的总质 量为基准，所述二氧化硅水溶胶的固含量为0. 5-5wt%。
【文档编号】C01B33/141GK104418335SQ201310374333
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年8月26日 优先权日:2013年8月26日
【发明者】黎宪宽, 周维, 孙永亮 申请人:比亚迪股份有限公司