本发明属于硅溶胶制备技术领域，具体涉及一种制备硅溶胶的方法及硅溶胶。
背景技术：
多晶硅在生产过程中，会产生一些细小颗粒硅渣，而这些硅渣在尺寸上不能满足客户需求，因此未能正常销售及有效利用。同时这些细小硅渣不仅会对工作环境造成污染，还会污染合格的产品。实际生产过程中，为了防止污染多晶硅品质和工作环境，只是将这些硅渣进行简单收集，并未进行有效利用，造成了一定的资源浪费。
硅溶胶是无定型二氧化硅颗粒在水中均匀分散的胶体溶液。硅溶胶中二氧化硅颗粒表面含有大量羟基，具有较大的反应活性，经过表面改性可以与有机聚合物相溶，广泛应用于涂料、精密铸造、造纸、纺织、电子等行业。高纯度的硅溶胶应用于改善抛光液和特殊涂料的某些性能。由于普通的硅溶胶中含有钠钾等碱金属离子杂质，在使用的过程中会产生负面影响，不利于抛光液和涂料的使用，因此需要控制碱金属离子的浓度，一般控制在10ppm以下。
现有的高纯硅溶胶的制备方法为：(1)以水玻璃为原料合成：将一定浓度的强碱性水玻璃通过阳离子树脂进行离子交换，转化为酸性的硅溶胶，再将硅溶胶与强碱的水溶液或者碱性的硅酸盐反应，经过成核、粒径长大等转变为碱性的硅溶胶；(2)以水解性的有机硅烷为原料：使用正硅酸乙酯/甲酯在强碱性催化剂条件下，在水与醇的溶液中直接水解聚合，制备成硅溶胶。以水玻璃为原料合成高纯硅溶胶的缺点是产品含有一定量的金属杂质，无法彻底去除；以水解性有机硅烷为原料合成高纯硅溶胶的缺点是产品需要在强碱性环境下使用、成本高、产品浓度低。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种制备硅溶胶的方法及硅溶胶，解决了现有技术中制备硅溶胶过程中使用强碱性催化剂过多而引入金属杂质过多的技术问题。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是提供一种制备硅溶胶的方法，包括以下步骤：
(1)在含有单质硅的硅源与水的混合物中，加入碱性催化剂或碱性催化剂溶液；
(2)反应过程中通入直流电，生成硅溶胶。
优选的是，所述步骤(1)中的含有单质硅的硅源为高纯单质硅。
优选的是，所述步骤(1)中加入催化量的碱性催化剂或碱性催化剂溶液。
水是弱的电解质，内部存在一定的电离平衡，在直流电的作用下，水的电离平衡被打破，产生更多的氢离子和氢氧根离子，其中氢离子在阴极处得到电子成为氢气，氢氧根离子在阳极处失去电子成为氧气。单质硅水解反应就是硅与电离后的水发生反应，生成硅溶胶。
优选的是，所述硅源为多晶硅生产过程中产生的硅渣；硅渣的主要成分为单质硅。采用多晶硅生产过程中产生的硅渣作为制备硅溶胶的硅源，可以将多晶硅生产过程中的硅渣有效利用，提高企业的经济效益，变废为宝，不仅节省了硅渣的后处理费用，而且节省了制备硅溶胶的原料成本。
所述碱性催化剂或碱性催化剂溶液中的溶质为氢氧化钠和/或氢氧化钾。
优选的是，所述硅源的粒径为10～200目。
优选的是，所述碱性催化剂的溶液的ph值为10～14。
优选的是，所述步骤(1)之前还包括步骤(i)对所述硅源进行清洗，使得所述硅源中的杂质含量≤1ppm，硅的纯度为99.9999mas％以上；
所述混合物中的水为超纯水。
优选的是，所述步骤(i)具体为：
将硅源加入到超纯水中，进行超声波清洗；
将超声波清洗完毕的硅源浸泡在酸性溶液中清洗，除去硅源表面的污渍；
将酸洗后的硅源加入到超纯水中，先进行超声波清洗，再次加入到超纯水中进行漂洗，漂洗直到超纯水为中性。
优选的是，所述步骤(1)中还包括将含有单质硅的硅源与水的混合物加热至70～95℃。优选的是，所述步骤(1)中硅源与水的质量比为1：(20～200)。
优选的是，所述步骤(1)中碱性催化剂或碱性催化剂溶液中的溶质与硅源中的单质硅的质量比为1：(500～2000)。本发明的制备方法中，所使用的碱性催化剂相对于硅源的质量来说很少，从而使得最终制得的硅溶胶中的碱性催化剂的阳离子的含量少。现有技术中生成硅溶胶使用的碱性催化剂与硅源中的单质硅的质量比为1：(50～200)。
优选的是，所述步骤(2)中所述直流电的电压为1.5～12v。
优选的是，所述步骤(2)中的反应时间为8～12小时。
优选的是，所述步骤(2)之后还包括步骤(3)在90～95℃浓缩，得到浓缩后的高纯度硅溶胶。高纯度硅溶胶中的金属离子含量小于10ppm。
本发明还提供一种硅溶胶，其为由上述的方法制备得到的硅溶胶。本发明的制备方法得到的硅溶胶中的碱金属的阳离子含量小于10ppm。
本发明的制备硅溶胶的方法通过在加入碱性催化剂提供了氢氧根离子，从而引发了初始的单质硅与氢氧根离子的反应速度，硅与水的反应过程中通入直流电，从而促进水电离生成氢氧根离子，加速了硅的水解反应速度，生成了硅溶胶。上述制备方法由于通入直流电增加了水的电离，从而加速了硅的水解反应速度，可减少碱性催化剂的使用量，并能提高硅反应生成硅溶胶的转化率，提高反应速度，所以所使用的碱性催化剂相对于硅源的质量来说很少，从而使得最终制得的硅溶胶中的阳离子的含量少，降低了碱性催化剂的阳离子吸附于硅溶胶外壳的羟基上的量。本方法制备的硅溶胶纯度高，操作过程简单便捷，纯度容易控制。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例1
本实施例提供一种制备硅溶胶的方法，包括以下步骤：
(1)将收集到的多晶硅生产过程中产生的硅渣加入到超纯水中，进行超声波清洗0.5小时，去除掉硅渣中粘附的杂质，其中，硅渣的粒径为10目；采用多晶硅生产过程中产生的硅渣作为制备硅溶胶的硅源，可以将多晶硅生产过程中的硅渣有效利用，提高企业的经济效益，变废为宝，不仅节省了硅渣的后处理费用，而且节省了制备硅溶胶的原料成本。
(2)将超声波清洗完毕的硅渣浸泡在酸性溶液中，清洗0.5小时，除去硅渣表面的污染物，其中，酸性溶液为硝酸和氢氟酸的水溶液，ph值为5；
(3)将酸洗后的硅渣加入到超纯水中，先进行超声波清洗0.5小时，再次加入到超纯水中进行漂洗30分钟，去除硅渣表面残留的酸，清洗后的硅渣中的杂质含量≤1ppm，硅的纯度为99.9999mas％以上；
(4)将清洗干净的硅渣加入到超纯水中混合搅拌得到混合物，将混合物放置在电磁力搅拌器上进行加热搅拌，硅渣与超纯水的质量比为1：20，
(5)将碱性催化剂加入超纯水中，配置成需要的碱性催化剂溶液，其中，碱性催化剂为氢氧化钠，ph值为10；
(6)待硅渣与超纯水的混合物温度升到95℃后，缓慢加入碱性催化剂溶液，硅与水进行反应，碱性催化剂溶液中的碱性催化剂与硅渣的质量比为1：500；本实施例的制备方法中，所使用的催化剂相对于硅源的质量来说很少，从而使得最终制得的硅溶胶中的碱性催化剂的阳离子的含量少。
(7)碱性催化剂溶液加入量超过一半以上时，向超纯水中通入直流电，直流电的电压为9v，待碱性催化剂溶液滴加完毕后，反应12小时，若有未反应的滤渣进行过滤，得到滤液。
(8)将滤液放置在水浴锅中搅拌，加热到85℃进行蒸发浓缩2小时，制备得到钠离子含量为8ppm、二氧化硅含量为20mas％的硅溶胶。
本实施例还提供一种硅溶胶，其为由上述的方法制备得到的硅溶胶。
本实施例的制备硅溶胶的方法通过在加入碱性催化剂提供了氢氧根离子，从而引发了初始的单质硅与氢氧根离子的反应速度，硅与水的反应过程中通入直流电从而促进水电离生成氢氧根离子，加速了硅的水解反应速度，生成了硅溶胶。上述制备方法由于通入直流电增加了水的电离，从而加速了硅的水解反应速度，可减少碱性催化剂的使用量，并能提高硅反应生成硅溶胶的转化率，提高反应速度，所以所使用的碱性催化剂相对于硅源的质量来说很少，从而使得最终制得的硅溶胶中的阳离子的含量少，降低了大量碱性催化剂的阳离子吸附于硅溶胶外壳的羟基上的量。本方法制备的硅溶胶纯度高，操作过程简单便捷，纯度容易控制。
实施例2
本实施例提供一种制备硅溶胶的方法，包括以下步骤：
(1)将收集到的多晶硅生产过程中产生的硅渣加入到超纯水中，进行超声波清洗1.5小时，去除掉硅渣中粘附的杂质，其中，硅渣的粒径为100目；
(2)将超声波清洗完毕的硅渣浸泡在酸性溶液中，清洗1小时，除去硅渣表面的污染物，其中，酸性溶液为硝酸和氢氟酸的水溶液，ph值为3；
(3)将酸洗后的硅渣加入到超纯水中，先进行超声波清洗1小时，再次加入到超纯水中进行漂洗30分钟，去除硅渣表面残留的酸，清洗后的硅渣中的杂质含量≤1ppm，硅的纯度为99.9999mas％以上；
(4)将清洗干净的硅渣加入到超纯水中混合搅拌得到混合物，将混合物放置在电磁力搅拌器上进行加热搅拌，硅渣与超纯水的质量比为1：100；
(5)将碱性催化剂加入超纯水中，配置成需要的碱性催化剂溶液，其中，碱性催化剂为氢氧化钾，ph值为12；
(6)待硅渣与超纯水的混合物温度升到85℃后，缓慢加入碱性催化剂溶液，硅与水进行反应，碱性催化剂溶液中的碱性催化剂与硅渣的质量比为1：1000；
(7)碱性催化剂溶液加入量超过一半以上时，向超纯水中通入直流电，直流电的电压为6v，待碱性催化剂溶液低价完毕后，反应9小时，若有未反应的滤渣进行过滤，得到滤液；
(8)将滤液放置在水浴锅中搅拌，加热到90℃进行蒸发浓缩3小时，制备得到钾离子含量为8ppm、二氧化硅含量为10mas％的硅溶胶。
本实施例还提供一种硅溶胶，其为由上述的方法制备得到的硅溶胶。
实施例3
本实施例提供一种制备硅溶胶的方法，包括以下步骤：
(1)将收集到的硅源多晶硅生产过程中产生的硅渣加入到超纯水中，进行超声波清洗3小时，去除掉硅渣中粘附的杂质，其中，硅渣的粒径为200目；
(2)将超声波清洗完毕的硅渣浸泡在酸性溶液中，清洗2小时，除去硅渣表面的污染物，其中，酸性溶液为硝酸和氢氟酸的水溶液，ph值为1；
(3)将酸洗后的硅渣加入到超纯水中，先进行超声波清洗1小时，再次加入到超纯水中进行漂洗30分钟，去除硅渣表面残留的酸，清洗后的硅渣中的杂质含量≤1ppm，硅的纯度为99.9999mas％以上；
(4)将清洗干净的硅渣加入到超纯水中混合搅拌得到混合物，将混合物放置在电磁力搅拌器上进行加热搅拌，硅渣与超纯水的质量比为1：200；
(5)待硅渣与超纯水的混合物温度升到75℃后，缓慢加入碱性催化剂，ph值为14，其中，碱性催化剂为氢氧化钠和氢氧化钾的混合物(两者质量比为1:1)，硅与水进行反应，碱性催化剂与硅渣的质量比为1：2000；
(6)碱性催化剂溶液加入量超过一半以上时，向超纯水中通入直流电，直流电的电压为3v，待碱性催化剂溶液低价完毕后，反应8小时，若有未反应的滤渣进行过滤，得到滤液；
(7)将滤液放置在水浴锅中搅拌，加热到95℃进行蒸发浓缩4小时，制备得到钠离子和钾离子的总含量为3ppm、二氧化硅含量为8mas％的硅溶胶。
当然，本实施例中的步骤(1)中的硅源也可以是高纯单质硅，硅源为高纯单质硅是，可以不用对硅源进行水洗，高纯单质硅的纯度为99.9999mas％以上。
本实施例还提供一种硅溶胶，其为由上述的方法制备得到的硅溶胶。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。