硅溶胶的表面改性及应用研究进展.pdf

建世
2012年第33卷第3期
doi:10.3963/. Issn1674-60662012.03.001
硅溶胶的表面改性及应用研究进展
李浩,陈连喜,张中明,焦彩彬
(武汉理工大学理学院,武汉430070)
摘要:首先简要概述了溶胶的结构、性质及应用,同时指出了传统的硅溶胶结构及性能上存在的不足而导致
对其应用所遗成的展。重点阐速了国内外改性难落胶的方法和改性机理。最后展望了改性産溶胶的应用前景。
关键词:溶胶;表面改性;方法与机理;进最
Progress
in Study of Surface Modification and
Application of Silica Sol
LT Jie, CHEN Lian-xi, ZHANG Zhong-ming, IAO Cai-bin
(School of Science, Wuhan University of Technology, Wuhan430070, China)
Abstract A brief overview would be preened on structure, property and application of silica sol Meanwhile, the
shortomingsandlimitedappicationsoftheoomventionalsilicasolwerealsopointedoutEspecillythemodificated
methods and mechanism of silica ol at ome and abad were focused on. Final y, e applicaed future of modified sil
ca sol was prospected.
Key words: silica sl surface mi caton modification and machanism review
硅溶胶是指纳米级的二氧化硅颗粒在水中或溶剂中的分散体系。有许多优良性质如大比表面、高吸附
性、高分散度(几纳米到几十纳米)高耐火绝热性等。由于硅溶胶中的SiO2含有大量的水及羟基,故硅溶胶
也可以表述为SiO2nH2O。硅溶胶众多优良的性能已使其得到广泛的应用,尤其自工业化生产以来,已经
在熔模精密铸造、造纸、建筑涂料及电子工业等领域获得广泛的应用?。应用的需求。水溶性硅溶胶在
然而随着科学和应用技术的快速发展,单一的硅溶胶已不再满足高科
涂料使用中并不能充分发挥其潜力,主要存在两个缺点;较低的抗水性能和稳定性问题。首先硅溶胶有一
完全羚基化的表面,当纳入涂料中时,通常会减少该涂料的抗水性。而解决此问题的方法通常是在该体系中
加人增强剂。其次是涂料组分要求苛刻的长期稳定性问题,尤其是当硅溶胶纳入聚合物乳胶中的稳定性
问题。近年来有机-无机杂化材料的迅猛发展及其广泛的应用领域已引起国内外化学和物理界强烈的兴
趣?,而硅溶胶中二氧化硅粒子因具有高强度、高刚性、能吸收紫外线、无毒等优良性质,逐渐成为材料科学
研究领域的热点。但因具有亲水性、比表面积大及比表面能高等性质,使得二氧化硅粒子与聚合物相容性和
分散性都较差门。
为解决以上问题,有必要对硅溶胶进行表面改性,使硅溶胶中的二氧化硅粒子能在聚合物中均匀分散,
提高材料的稳定性。对于硅溶胶中纳米SiO2的改性不同于粉体的无机粒子,其改性是在溶胶中进行,并且
在整个改性过程一般需要始终保证粒子的单分散性和稳定性。对此,国内外学者进行了广泛的研究
1硅溶胶的表面改性
1.1金属离子改性
硅溶胶广泛用于造纸领域,尤其是硅溶胶中具有高比表面积的二氧化硅粒子可作为助留剂,与传统的助
收稿日期:2012-04-06
作者简介:李洁(1986-),硕士生. E-mail:clx@ whut edu cn
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2012年第33卷第3期
留剂相比,二氧化硅粒子可提高留着率,在改善滤水性能的同时而不破坏其成形?。因此,为了制备高液度
且稳定的硅溶胶,需对其进行金属盐改性,常见的金属盐改性硅溶胶有:铝改性硅溶胶和硼改性硅溶胶
1.1.1铝改性硅溶胶
铝改性硅溶胶(或称为铝硅酸盐溶胶)是一种含铝的聚硅酸盐,聚硅酸对铝离子有特殊的反应能力和吸
附作用?,因此日益引起人们的关注。近年来人们已对铝改性硅溶胶的制备及应用作了大量的研究,并已取
得了不少可喜的成果。
早在1976年,Jer?研究了铝离子对硅溶胶性能的影响,通过引入不同量的铝酸盐(如铝酸钠)阴离子,
与硅溶胶中二氧化硅表面进行反应,形成铝硅酸盐负离子(反应机理见图1)。然后将未改性的硅溶胶与铝
盐改性的硅溶胶分别与生物分子(蛋白质)作用,结果表明,在盐溶液中,蛋白质与未改性的硅溶胶极易发生
混凝,而与阴离子铝酸盐改性的硅溶胶,除了在较低pH下,不发生任何反应。
O-SI-OH
HO
OH
AL-OH
2H30
OH
0-SI-OH
图1铝酸盐与硅溶胶中二氧化硅表面反应机理
1.1.2硼改性硅溶胶
碉改性硅溶胶(亦称硼硅酸盐溶胶)一般是作为硼硅玻璃和硼硅矿物质而被发现并应用。 Keiser等
报道以水为分散相,硅酸溶胶与研酸钠在室温下反应制备了纳米粒径的硼硅酸盐溶胶,并且证实了纳米尺寸
的硼硅酸盐溶胶具有商业应用,即在造纸中作为酸助留剂。
马金霞等2最近报道了用硼砂与硅溶胶反应制备硼改性的硅溶胶,并研究了改性硅溶胶对造纸工
业中助留助虑效果的影响,结果表明阳离子淀粉/硼改性硅溶胶体系助留助虑效果优于阳离子淀粉一元助留
助虑体系,同时也证明了硼改性硅溶胶微粒体系助留助虑效果优于铝改性硅溶胶微粒体系。
1.2硅烷偶联剂改性硅溶胶
硅烷偶联剂是常用的硅溶胶改性剂,其作用机理为偶联剂分子中的一部分基团(硅烷键)可与硅溶胶中
的二氧化硅粒子表而形成强力的化学键合,并且硅溶胶中的二氧化硅粒子表面通过选择一种有机功能基可
有效地改善表面性质和反应活性。反应机理可简单描述为以下3个过程:
1)有机砫烷水解
RSI(OR)3 +3H2O-RSI(OH)g +3ROH
2)有机硅煷自缩聚
3R S(OH)
HO-SR0-SI-0-S-0H+2H.0
OH OHOH
3)有机硅烷与硅溶胶中SiO2粒子表面硅羟基反应
RR
HO-SI--S0-I-OH
H+3H20
OH
Si, Si Si
Si Si Si
其中R通常代表CH、C2Hs;R可为乙烯基、苯基、氨基、巯基等有机功能基
1.2.1后改性法(post- modification)
后改性法( postgraft)已经被广泛用于硅溶胶的改性,它是采用两步法,首先通过传统的 Stober i法制备
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