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高士忠,李建强,赵耀,赵莉
(沈阳化工股份有限公司,辽宁,沈阳110026)
大纲:介绍了气相法二氧化硅的生产过程、作用机理及应用特点。
要点词:气相法二氧化硅;生产过程;应用特点
气相法二氧化硅学名二氧化硅,为工业上独到的超微细纳米级资料。拥有粒度小,超高比表面积(100~
400m2/g),纯度高等特点,表现出优越的分别性、补强性、增稠性、触变性、消光性、电绝缘性及表面
办理后的疏水性等。宽泛应用于航空航天、橡胶、涂料、电子电力、汽车、建筑、农业、医药等领域中,
发达国家称其为“工业味精”。
气相法二氧化硅生产过程
二氧化硅有2种主要生产路线,一个是高温气相水解法,即气相法或称干法,一个是湿法,即积淀法。
由于二者的原料路线,生产过程不同样,在应用过程中,气相法二氧化硅使用性能要明显优于积淀法二
氧化硅。
气相法二氧化硅是利用硅的***化物在氢氧焰中燃烧进行高温气相水解,其火焰温度>1000℃,经过凝
聚、分别、脱酸、精选等精制过程生产而成。
总反应式:SiCl4+2H2+O2→SiO2+4HCl
其生产工艺过程表示图如图1。
积淀法二氧化硅是采用硅酸钠为原料与浓硫酸在液相中发生反应,经过液相分别、中和、脱水、干燥、机械研磨等过程生产而成。由于原料价格廉价,生产成本远远低于气相法二氧化硅。气相法二氧化硅比积淀法二氧化硅拥有无与伦比的优越性能,如分别性、触变性、增稠性及在橡胶行业的补强性和在
电子工业方面的绝缘性等。
气相法二氧化硅的作用机理
由于气相法二氧化硅的表面带有大量的羟基,当其充分分别于液态系统中时,便形成二氧化硅
这些羟基会在气相法二氧化硅的齐聚体之间形成氢
的网状结构。其排列如图2所示。
键,
这类网格能增加液体的黏度,并产生触变现象。使二氧化硅齐聚体之间形成的氢键断裂,液相体键重新建立起网络结构,当剪切力完好消失后,液
触变是液体的物理现象,当对液相系统施加剪切力
系的黏度下降,当停止施加剪切力后,齐聚体又依靠
相系统的黏度可恢复到初始值。
后,
氢
触变现象在好多应用领域中发挥优异作用,如涂料、胶粘剂、密封胶等。
由二氧化硅粒子的网状结构所造成的黏度高升
系统的流动速度,能够使黏度降低,而静止后,
以宽泛应用于机械喷涂液相物料中,获得更好的
能够提高液相系统的流变性能并防范其沉降。提高
随着网状结构的恢复,流动性又明显下降。此种特点
喷涂收效。
液相
可
为获得优异的流变收效,二氧化硅粒子在液相系统中的适当分别是一个决定性的因素,但过分分别会
造成二氧化硅粒子之间的网状结构遇到完好损坏,即使长时间停止施加剪切力,其网状结构也很难恢
复。
气相法二氧化硅在干燥系统中能够经过不同样机理起到不同样的作用。比方,将其加入颗粒系统中能促使
自由流动,将其加入涂膜中能增加磨擦和抗粘连。
在粉末状、颗粒状等物质中加入少量的气相法
二氧化硅,就能起到促使自由流动、防结块和防拥塞
等
作用。二氧化硅齐聚体的微观结构使它很简单在
干燥系统的大颗粒之间搬动,
并且在多数情况下,它
可
在粉末状物质的颗粒表面形成一层包膜,
使得颗
粒像可滑移的滚球轴承同样,
使大颗粒很简单滑动。
这
种特点有助于物料经过像阀门、喷优等带有小孔
的设备。
非办理型二氧化硅能够吸附存在于产品颗粒表面上少量水分,防范粉末产品由于互相接触而结块。同
时由于有特异的分别性,能够增强粉末产品的流动性。
将气相法二氧化硅加入涂料中,在涂料成膜后,二氧化硅颗粒一方面坚固地嵌在涂膜中,齐聚体的颗
粒部分裸露于成膜后的涂料表面上,形成的微观结构使涂膜表面不滑和不粘连,摩擦系数大大提高。如
用经表面办理的气相法二氧化硅加入涂料中,可使涂料拥有防水性。
塑料膜、塑胶板、纸张、纸板及其他树脂资料在互相接触,就会发生粘连现象。气相法二氧化硅能
生产后,平时都要储藏一段时间才使用,由于其表面
够防范其表面完好接触,起到防范粘连的作用。
间
气相法二氧化硅对于交联的聚合物系统是一种
很有效的补强剂,这是由于气相法二氧化硅能够增
强固
态系统的内聚力,齐聚体的渺小粒径和开放的
支链性质使得聚合物(增加剂)有较大的接触面积。
为
获得高机械强度的硫化胶,单纯地依靠聚合物和
增加剂之间的交联是不够的,必定依靠气相法二氧
化
硅表面含有的羟基基团,二氧化硅在有机硅化合
物中参加交联的表示图如图
3所示。
气相法二氧化硅粒子依靠其表面的硅醇基形成***聚硅氧烷之间的交联,从而极大地提高硫
的氢键作用来促使二氧化硅粒子之间或二氧化硅粒化胶的机械强度。
子与
应用特点
增稠和触变作用
气相法二氧化硅在液态系统中的最重要和最广
泛的用途是控制和提高黏度及触变性。黏度增大和
触变
性的提高,是齐聚体之间的氢键形成网络结构
的直接结果。气相法二氧化硅在配方中所能形成的
网络
结构,取决于以下因素。(1)系统的性质(极性或
非极性);(2)气相法二氧化硅的型号;(3)气相法二
氧
化硅的增加量;(4)分别收效;(5)系统的pH值;(6)系统的温度;(7)系统的熟化程度;(8)增加
剂的性质。
一般的溶剂按氢键的极性可分为3类:非极性物质,如石油醚、甲苯、苯;极性物质,如环氧树脂、聚脂
树脂、醇酸树脂、聚氨基甲酯;高极性物质,如水、醇、醛、羧酸。
在非极性物质中,气相法二氧化硅能够达到最大的效力。此时二氧化硅颗粒只能与自己以氢键联合,
能够以最低浓度形成最大的网络结构。比方,在系统中增加3%~6%时,就完好形成凝胶,合适减少添
加量,能够获得任何黏度的液相系统。
由于二氧化硅表面的氢键有一部分与系统分子
上的氢键发生键合,从而阻拦了网络结构的形成。在
极
性系统中,气相法二氧化硅的效能比在非极性体
系中低,在这类系统中需要增加5%~10%才能形成
凝
胶。在高极性系统中,气相法二氧化硅的量必定增
加到10%~15%,才能达到高黏度和起到触变收效。
比
如,在醇类系统中就需要增加高出
15%的气相法
二氧化硅。
对二氧化硅型号的选纲要充分考虑到各种型号的分别性及能够使用的设备。采用高比表面积的二氧化
硅,诚然分别性稍差,但对于高增稠和强触变作用而言,只要提高分别设备的分别收效(多耗能量)即
可达到目的。对于压缩型气相法二氧化硅,建议只将这些型号用于系统的补强作用,而不倡议用于流变
控制。
气相法二氧化硅产生的增稠和触变性随着气相法二氧化硅的增加量而提高,此间的关系是连续圆滑曲
线,曲线的斜率取决于系统自己的性质。
为了赌气相法二氧化硅达到最正确的增稠和触变
收效,使其在系统中达到最正确分别是重要的因素之
一。
分别收效除取决于系统的极性外,在给定的条件
下,气相法二氧化硅的分别收效还取决于分别设备
的
剪切能力、分别时间及混杂系统的黏度。系统的黏
度很重要,由于分别设备都是按原有的系统黏度设
计
的,若是低于某个黏度就不能够达到最正确的剪切效
果。所以在选择分别设备时必定考虑系统的初始和
最
终黏度。
含有气相法二氧化硅的水性系统,
增稠收效比较明显,当pH值为
pH值对增稠能力有很大影响。当pH值<,~,其增稠能力迅速下降;当pH值>,二氧化硅的颗
的
粒
开始溶解形成硅酸盐。
气相法二氧化硅在好多系统可用作悬浮剂或防
中(乳化),在另一些情况下,它能够使系统在使
沉剂。它能使固体悬浮于液体中或能使液体悬浮于
用从前经过摇动和搅拌很简单再分别。
液体
气相法二氧化硅的悬浮作用是由于它分别于溶
液中时会形成网络结构而产生的,这类网络结构使
系统
中的颗粒不易聚结和发生相的分别。同时系统
的黏度提高也有利于阻拦系统中各组分的运动。
气相法
二氧化硅在水包油乳液中是优异的坚固
剂,平时加入量达到1%~5%就可以生产出含量较高
的坚固乳
液。若是系统中的极性化合物溶解度较大
时,气相法二氧化硅的用量就需要增加。若是配方中
含有能
改变系统pH值或起缓冲作用的组分,该组
分的加入次序就很要点,应经过试验来确定最正确加
料次序。
气相法二氧化硅所拥有的极小的粒子和很大的起到间隔剂的作用,与此相关的是干滑动作用,
比表面积,使得其能在大多数粉末物质的较大颗粒
促使自由流动和抗结块作用。
之间
大多数粉末物质比方硫磺、食盐、小苏打和迅速保持自由流动。气相法二氧化硅的吸湿性也有助
混杂食品等。只要增加1%的气相法二氧化硅,就能于起抗结块作用,甚至已经结块的粉末,经过加入≤
够
2%
的气相法二氧化硅,也能恢复自由流动。
气相法二氧化硅能够作为好多液体的干载体,能够在很大的范围内变动。详尽数量取决于其
一起加入自由流动的粉末中。气相法二氧化硅的加
中所含液体的极性和氢键键合的能力,一般加入量
入量
为10%
~40%。
气相法二氧化硅可用于油墨、涂料和包装资料等的表面或涂膜表面,以增大摩擦,起防滑作用,用量
一般为1%~3%。
气相法二氧化硅自由的渺小的粒径和形成的网状结构,使其拥有明显的光散射能力,所以,可用于涂
料和装饰涂料的消光。
某些塑料制品、橡胶制品和一些涂有胶粘剂的为一个整体,很难分开。若是在上述产品中加
产品堆叠在一起存放一准时间后,就互相粘连在一起或成入少量气相法二氧化硅,它所形成的表面粗糙结构
可防
止表面之间完好和亲密的接触,而可是中止接触,从而减小互相粘连的倾向。当表面涂有胶粘剂的产
品被弄湿或溶化而活化时,气相法二氧化硅颗粒就会吞没在溶解或溶化的胶粘剂层内,使产品的界面
依旧保持干燥而不发生粘连。
、补强作用及二氧化硅的选择气相法二氧化硅所形成的网络结构能够增强固态系统的内聚力。
平时将气相法二氧化硅用作胶粘剂、密封剂、橡胶及其他弹性制品的补强剂。影响气相法二氧化硅补
强收效的主要因素有比表面积、增加量、疏水程度和pH值。
在给定浓度下,当气相法二氧化硅的比表面积增大时,高温硫化硅橡胶的撕破强度,抗张强度明显提
高,而室温硫化胶的挤出速率则下降。当比表面积大于250m2/g时,会给加工带来困难。所以,建议
在高温胶中采用比表面积为250m2/g左右的二氧化硅比较合适。
在室温硫化胶粘剂和密封剂中,由于其在润湿环境下固化,要求气相法二氧化硅含湿量<%。由于
这类限制,建议只用比表面积低于200m2/g的气相法二氧化硅。
气相法二氧化硅的增加量对高温度胶邵氏A硬度的影响要比比表面积的影响大得多。同样,对拉伸强
度和模量的影响也是这样。但是当增加量增加到55份时,加工就会出现困难。一般情况下,可依照橡胶
和其他弹性体中所含成分的不同样,以及所希望获得的性能,增加5%~35%,对于室温胶粘剂和密封剂,
增加1%~10%,即可达到所要求的内聚强度。
采用特其他硅烷或聚硅氧烷对气相法二氧化硅进行预办理,或在橡胶加工过程中采用“及时配方”的
方法进行办理都能够明显改进气相法二氧化硅的
性能。当气相法二氧化硅疏水性增加时,
高温胶的邵
氏
A硬度降低,抗张强度和抗撕破强度高升,其断
裂伸长也相应增加。在用过氧化物交联的高温硫化
硅
橡胶的补强方面,疏水性强的气相法二氧化硅显
得更为有效。
气相法二氧化硅的pH值对硅橡胶的加工性能有特别大的影响,~。二氧化硅的补强性也与其在各种固态系统中的分别有极大的关系。较高的剪切力和较短
其他,气相法
的混练时间可
以提高二氧化硅对混练胶的补强收效。
结论
气相法二氧化硅的生产过程,作用机理及应用
特点,能够为用户在采用气相法二氧化硅时作为参
考,
由于此行业在我国的发展起步较晚,
并且应用开
发速度较慢,所以,我国气相法二氧化硅生产规模较
发
达国家小得多。随着我国经济发展,技术进步,气相法二氧化硅的应用必然会越来越宽泛,从而获得更
大的发展。