高固含量硅溶胶及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 高固含量硅溶胶及其制备方法和应用 (High solid content silica sol, preparation method and application thereof ) 是由 张雨葳 刘俊君 佘平江 吴广力 于 2021-10-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种高固含量硅溶胶及其制备方法和应用,该制备方法包括S1、将一定量的硅溶胶加入三口烧瓶中,在室温状态下搅拌后得到A液；S2、将稀氨水在搅拌的状态下滴加进入A液中,边滴加边测量溶液pH值,直到调节A液pH至8.1-8.4,得到B液；S3、在室温搅拌状态下加入与硅溶胶质量比为1：1的硅烷偶联剂,搅拌得到C液；S4、将乙酸在磁力搅拌的状态下滴加进入C液中,边滴加边测量溶液pH值,直到调节C液pH至3.6-3.9,得到D液；S5、将D液在室温下静置反应8小时,得到E液；S6、将E液按照设计质量比加入到硅溶胶中,在室温状态下混合均匀,得到高固含量硅溶胶。经过该方法所得的硅溶胶固含量较高,粒度理论上分布均匀且制备工艺简单。(The invention discloses a high solid content silica sol and a preparation method and application thereof, wherein the preparation method comprises the steps of S1, adding a certain amount of silica sol into a three-neck flask, and stirring at room temperature to obtain solution A; s2, dropwise adding dilute ammonia water into the solution A while stirring, measuring the pH value of the solution while dropwise adding until the pH value of the solution A is adjusted to 8.1-8.4, and obtaining solution B; s3, adding the mixture in a mass ratio of 1:1, stirring to obtain a solution C; s4, dropwise adding acetic acid into the solution C under the magnetic stirring state, measuring the pH value of the solution while dropwise adding the acetic acid until the pH value of the solution C is adjusted to 3.6-3.9, and obtaining solution D; s5, standing the solution D at room temperature for 8 hours to obtain solution E; and S6, adding the solution E into the silica sol according to the designed mass ratio, and uniformly mixing at room temperature to obtain the high-solid-content silica sol. The silica sol obtained by the method has higher solid content, uniform particle size distribution in theory and simple preparation process.)
技术领域
本发明涉及无机纳米材料技术领域，具体涉及一种高固含量硅溶胶及其制备方法和应用。
背景技术
硅溶胶是一种性能优良的二氧化硅纳米颗粒均匀分散在水中或有机溶剂中的材料体系，由于其是由无数胶团形成的网络结构，因此具有大比表面积、高分散度、高表面活性等特点，在涂料工业、催化工业等领域得到了广泛的应用。
然而目前广泛流行的制备硅溶胶方法，由于其二氧化硅固含量偏低，粒度均一性较差，稳定性不好，难以长时间储存等缺点，在实际应用过程中遇到了很大的阻碍。
基于上述情况，本发明提出了一种高固含量硅溶胶及其制备方法和应用，可有效解决以上问题。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的第一目的在于提供一种高固含量硅溶胶。具有二氧化硅固含量高，粒度均一性好，稳定性强，储存时间长等优点。
本发明的第二目的在于提供一种高固含量硅溶胶的制备方法。经过该方法所得的硅溶胶固含量较高，粒度理论上分布均匀且制备工艺简单。
本发明的第二目的在于提供一种高固含量硅溶胶的应用。通过将陶瓷平板置于该种胶液中复合，可得到密度较高、表观质量较好的陶瓷平板。
为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：
一方面，本发明提供一种高固含量硅溶胶的制备方法，包括如下步骤：
S1、将一定量的硅溶胶加入烧瓶中，在室温状态下采用磁力搅拌一段时间后，得到A液；
S2、将稀氨水在磁力搅拌的状态下滴加进入A液中，边滴加边测量溶液pH值，直到调节A液pH至8.1-8.4，得到B液；
S3、在室温磁力搅拌状态下加入与硅溶胶质量比为1:1的硅烷偶联剂，搅拌一段时间后，得到C液；
S4、将乙酸在磁力搅拌的状态下滴加进入C液中，边滴加边测量溶液pH值，直到调节C液pH至3.6-3.9，得到D液；
S5、将D液在室温下静置反应一段时间后，得到E液；
S6、将E液按照设计质量比加入到硅溶胶中，在室温状态下混合均匀，得到高固含量硅溶胶。
优选的是，所述硅溶胶采用酸性硅溶胶。
优选的是，所述步骤S1和S3中的搅拌时长均为15min。
优选的是，所述步骤S2中的稀氨水质量百分含量为0.05-0.3％。
优选的是，所述步骤S3中的硅烷偶联剂为甲基三甲氧基硅烷。
优选的是，所述步骤S5中的D液在室温下静置反应8小时。
优选的是，所述步骤S4中的乙酸质量百分含量为2-4％。
优选的是，所述步骤S6中的E液按照质量比为(4-4.5):(21-22)的比例加入到硅溶胶中。
另一方面，提供一种高固含量硅溶胶，采用上述方案中的制备方法制备而成。
再一方面，提供一种高固含量硅溶胶在陶瓷涂料中的应用，所述应用方法包括：
取一块未经处理过的的陶瓷平板坯料，将其浸没在高固含量硅溶胶中，胶温控制在60～80℃，浸泡6-8h；
将该陶瓷平板放入马弗炉中，3℃/min升温至120℃±10℃保温120min±10min，3℃/min升温至1000℃±20℃，保温120min±10min，随炉降至室温后取出，按产品尺寸对边角部位进行打磨修整，得到表面光滑平整的高固含量的石英复合陶瓷平板。
硅氧烷单体和纳米SiO2发生的反应可分为四个阶段，
第一阶段：硅氧烷在酸催化剂的作用下发生水解反应过程，反应体系中多个硅氧烷单体开始逐步发生水解反应生产硅醇；
第二阶段：硅氧烷单体水解生成的硅醇自身通过硅羟基脱水发生无规则缩聚反应，生成小分子量的链状物低聚物和颗粒；
第三阶段：小分子量的链状低聚物和颗粒与硅溶胶中的纳米SiO2粒子经表面的硅羟基发生无规则的缩聚反应结合在一起；
第四阶段：体系继续生成分子量更大的链状低聚物和更多的纳米SiO2粒子发生缩聚反应，最后聚合形成三维立体的网络结构。
在发生反应的历程中，硅氧烷单体会经过复杂的水解以及缩聚反应过程。硅氧烷的种类和含量、水解酸碱度值、催化剂的种类、水解反应时间等因素均会影响硅氧烷化合物反应速度，也最终会影响制备的高固含量硅溶胶的结构和性能。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
本次硅溶胶的改性是通过硅烷偶联剂将硅溶胶进行改性(使无机Si和有机组分进行链接)，从而有效防止了硅溶胶粒子的团聚。其作用机制是：硅烷偶联剂的部分反应基团与硅溶胶粒子表面的硅羟基反应形成共价键(引入有机功能基团)，使胶粒表面官能团不再单一，故硅溶胶固含量得到改善。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是不能理解为对本专利的限制，仅作举例而已。
下述实施例中所述试验方法或测试方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均从常规商业途径获得，或以常规方法制备。
本发明提供一种高固含量硅溶胶的制备方法，包括如下步骤：
S1、将一定量的硅溶胶加入烧瓶中，在室温状态下采用磁力搅拌一段时间后，得到A液。
较佳地，所述烧瓶采用三口烧瓶，所述硅溶胶采用酸性硅溶胶，搅拌时长为15min。
S2、将稀氨水在磁力搅拌的状态下滴加进入A液中，边滴加边测量溶液pH值，直到调节A液pH至8.1-8.4，得到B液。
较佳地，所述稀氨水的质量百分含量为0.05-0.3％。加入稀氨水得到的C液为碱性，碱性环境可作为缓冲，避免后续在加入乙酸的过程中溶液过酸导致硅氧烷大量水解时发生团聚现象。
S3、在室温磁力搅拌状态下加入与硅溶胶质量比为1:1的硅烷偶联剂，搅拌一段时间后，得到C液。
较佳地，所述硅烷偶联剂选用甲基三甲氧基硅烷(MTMS)，搅拌时长为15min。
S4、将乙酸在磁力搅拌的状态下滴加进入C液中，边滴加边测量溶液pH值，直到调节C液pH至3.6-3.9，得到D液。
较佳地，所述乙酸的质量百分含量为2-4％
S5、将D液在室温下静置反应一段时间后，得到E液。
较佳地，所述D液在室温下静置反应8小时。
S6、将E液按照设计质量比加入到硅溶胶中，在室温状态下混合均匀，得到高固含量硅溶胶。
较佳地，所述E液按照质量比为(4-4.5):(21-22)的比例加入到硅溶胶中。
此外，本发明还提供了一种采用上述方法制备而成的高固含量硅溶胶，其具有二氧化硅固含量高，粒度均一性好，稳定性强，储存时间长等优点。
本发明的高固含量硅溶胶可应用于陶瓷涂料，所述应用方法包括：
取一块未经处理过的的陶瓷平板坯料，将其浸没在高固含量硅溶胶中，胶温控制在60～80℃，浸泡6-8h；
将该陶瓷平板放入马弗炉中，3℃/min升温至120℃±10℃保温120min±10min，3℃/min升温至1000℃±20℃，保温120min±10min，随炉降至室温后取出，按产品尺寸对边角部位进行打磨修整，得到表面光滑平整的高固含量的石英复合陶瓷平板。
需要说明的是，以下实施例中使用的硅溶胶、硅烷偶联剂均为市售产品。
实施例1：
1)原料准备：甲基三甲氧基硅烷(MTMS)，硅溶胶HP4010A，稀氨水、乙酸。
2)将2kg硅溶胶HP4010A加入三口烧瓶中，在室温状态下采用磁力搅拌15min，得到A液；
3)将质量百分含量0.1％的稀氨水在磁力搅拌的状态下滴加进入A液中，边滴加边测量溶液pH值，直到调节A液pH至8.1，得到B液；
4)在室温磁力搅拌状态下加入2kg的甲基三甲氧基硅烷(MTMS)，搅拌15min，得到C液；
5)将质量百分含量2％的乙酸在磁力搅拌的状态下滴加进入C液中，边滴加边测量溶液pH值，直到调节C液pH至3.6，得到D液；
6)将D液在室温下静置反应8小时，得到E液；
7)将E液加入到21kg的HP4010A高纯硅溶胶中，在室温状态下混合均匀，得到25kg高固含量的硅溶胶。
将上述制得的高固含量硅溶胶应用于陶瓷涂料，具体步骤为：
将一块100×100×30mm的陶瓷平板坯料浸没在高固含量硅溶胶中，胶温控制在80℃，浸泡8h；
将该陶瓷平板放入马弗炉中，3℃/min升温至120℃保温120min±10min，3℃/min升温至1000℃±20℃，保温120min±10min，随炉降至室温后取出，对浸渍复合后的陶瓷平板进行打磨修整，得到高固含量的石英复合陶瓷平板。经测量后陶瓷平板的密度为1.86g/cm3，表观质量较好，无凹坑、掉渣等情况。对试样性能进行测试，结果如表1所示。
表1性能测试结果
实施例2：
1)原料准备：甲基三甲氧基硅烷(MTMS)，硅溶胶HP4010A，稀氨水、乙酸。
2)将4kg的硅溶胶HP4010A加入三口烧瓶中，在室温状态下采用磁力搅拌15min，得到A液；
3)将质量百分含量0.2％的稀氨水在磁力搅拌的状态下滴加进入A液中，边滴加边测量溶液pH值，直到调节A液pH至8.2，得到B液；
4)在室温磁力搅拌状态下加入4kg的甲基三甲氧基硅烷(MTMS)，搅拌15min，得到C液；
5)将质量百分含量3％的乙酸在磁力搅拌的状态下滴加进入C液中，边滴加边测量溶液pH值，直到调节C液pH至3.7，得到D液；
6)将D液在室温下静置反应8小时，得到E液；
7)将E液加入到42kg的HP4010A高纯硅溶胶中，在室温状态下混合均匀，得到50kg高固含量的硅溶胶。
将上述制得的高固含量硅溶胶应用于陶瓷涂料，具体步骤为：
将一块100×100×30mm的陶瓷平板坯料将其浸没在高固含量硅溶胶中，胶温控制在70℃，浸泡7h。
将该陶瓷平板放入马弗炉中，3℃/min升温至120℃±10℃保温120min±10min，3℃/min升温至1000℃±20℃，保温120min±10min，随炉降至室温后取出，按产品尺寸对边角部位进行打磨修整，得到高固含量的石英复合陶瓷平板。经测量后陶瓷平板的密度为1.84g/cm3，表观质量较好，无凹坑、掉渣等情况。对试样性能进行测试，结果如表2所示。
表2性能测试结果
实施例3：
1)原料准备：甲基三甲氧基硅烷(MTMS)，硅溶胶HP4010A，稀氨水、乙酸；
2)将2kg硅溶胶HP4010A加入三口烧瓶中，在室温状态下采用磁力搅拌15min，得到A液；
3)将质量百分含量0.3％的稀氨水在磁力搅拌的状态下滴加进入A液中，边滴加边测量溶液pH值，直到调节A液pH至8.4，得到B液；
4)在室温磁力搅拌状态下加入2kg的甲基三甲氧基硅烷(MTMS)，搅拌15min，得到C液；
5)将质量百分含量4％的乙酸在磁力搅拌的状态下滴加进入C液中，边滴加边测量溶液pH值，直到调节C液pH至3.9，得到D液；
6)将D液在室温下静置反应8小时，得到E液；
7)将E液加入到21kg的HP4010A高纯硅溶胶中，在室温状态下混合均匀，得到25kg高固含量的硅溶胶。
将上述制得的高固含量硅溶胶应用于陶瓷涂料，具体步骤为：
将一块100×100×30mm的陶瓷平板浸没在高固含量硅溶胶中，胶温控制在60℃，浸泡6h。
将该陶瓷平板放入马弗炉中，3℃/min升温至120℃保温120min±10min，3℃/min升温至1000℃±20℃，保温120min±10min，随炉降至室温后取出，对浸渍复合后的陶瓷平板进行打磨修整，得到高固含量的石英复合陶瓷平板。经测量后陶瓷平板的密度为1.85g/cm3，表观质量较好，无凹坑、掉渣等情况。对试样性能进行测试，结果如表3所示。
表3性能测试结果
序号
项目
单位
测试结果
1
密度
g/cm<sup>3</sup>
1.85
2
弯曲强度
MPa
66
3
拉伸强度
MPa
48
4
线膨胀系数
×10<sup>-6</sup>/℃
0.24
5
导热系数
W/m·k
0.51
6
介电常数(15～17GHz)
/
3.3
7
损耗角正切(15～17GHz)
/
0.0004
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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