1. 引言
随着中国二氧化硅产业的迅猛发展,全球二氧化硅产能呈现快速增长的态势,截至2014年底全球二氧化硅产能在420万吨左右,中国产能接近250万吨,占全球总产能的59.5%。二氧化硅生产能力的提升,使其应用领域也变得更加广泛。然而常规的大孔二氧化硅已不能更好的应用于一些特殊领域,如UV固化涂料消光剂、喷墨打印吸墨剂和塑料薄膜开口剂等方面。本文提出了微孔型二氧化硅的生产工艺及生产制造,并介绍该微孔型二氧化硅在这些领域中的应用。
2. 微孔型二氧化硅制备
二氧化硅的制备方法主要有沉淀法和气相法。其中气相法对原材料和生产工艺的成本较高,所以产品价格通常为沉淀法的两到三倍;而沉淀法二氧化硅的原材料和工艺成本较低,在市场上被普遍接受。
本文所用合成方法为沉淀法工艺。通过无机碱金属硅酸盐和无机酸溶液为原材料。区别于常规大孔容硅胶产品,尽管其生产工艺相同,但是通过改变控制环节,其成品在孔结构等方面有很大变化。应用在不同领域时微孔型二氧化硅的效果也会不同于大孔硅胶。
3. 实验
3.1. 实验原料和仪器设备
实验原料:硅酸钠溶液(工业级,模数3.4),SiO2浓度10%;稀硫酸(工业级),浓度30%;氢氧化钠。
实验仪器:三口烧瓶;JJ-1型增力电动搅拌器,常州翔天实验仪器厂;101-1AB型电热鼓风干燥箱,北京利康达圣科技有限公司。
3.2. 试验方法
在三口烧瓶中加入定量水玻璃溶液,在一定温度及搅拌速度下滴加稀硫酸溶液;至三口烧瓶内溶液pH = 6,停止加酸并升温至70℃,恒温反应20 min;继续滴加稀硫酸溶液至pH = 3,用氢氧化钠和氨水调节pH至9,继续升温到95℃左右,静止老化0.5 h。再用硫酸将pH调节至3。将反应后的凝胶洗涤、干燥,得到白色固体颗粒,经研磨,过60目筛网,得到微孔二氧化硅粗品。微孔二氧化硅与大孔硅胶对比,如表1所示。
4. 应用领域
目前大孔容二氧化硅的应用主要有橡胶、涂料、塑料等领域。但是在某些特殊的领域,使用大孔容二氧化硅可能会效果不佳或带来一些其他的问题,比如UV固化涂料中作消光剂,喷墨打印领域作吸墨剂以及塑料领域中作开口剂。因为使用在这些领域时,对二氧化硅的物化指标有一定特殊要求,如孔容和吸油值的大小等。
4.1. 涂料领域
二氧化硅作为添加剂添加至UV固化涂料中可以减弱紫外光固化涂料吸收UV辐照的强度,从而降低了光固化涂料的固化速度,可明显提高紫外光固化涂料的硬度和附着力 [1] [2] 。
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Table 1. Comparison of microporous silica and macroporous silica
表1. 微孔二氧化硅与大孔硅胶对比
与传统溶剂型涂料相比,UV固化涂料中二氧化硅添加比例为10%以上,因此对二氧化硅的吸油量要求比较高,通常在200~100 g以下,以降低对涂料粘度的影响 [3] 。而且经过表面改性处理后,添加至UV固化涂料中,还可以起到改善涂层手感,增强消光剂的消光效率和防沉效果。
从表2中可以看出相比大孔硅胶而言,微孔二氧化硅具有更高的添加比例,且增稠效果不明显。
应用在UV光固化涂料体系中时,虽然消光效果已接近进口产品,但是在透明度、手感等方面还有待提高。随着光固化涂料使用量的增加,该类型消光剂的需求也将日益增加。
4.2. 喷墨打印领域
随着数字化、彩色化及扫描器等图像输入技术发展,喷墨打印技术逐渐向彩色图像印刷、办公及家庭普及。彩色喷墨打印机及喷墨打印相纸等耗材逐年增长,人们意识到喷墨打印接受介质对喷墨打印质量起着关键作用。
二氧化硅作为吸墨剂添加在喷墨打印相纸的吸墨涂层中,由于二氧化硅粒子之间存在着一定间隙,内部也存在着一定孔隙。而这些空隙正是吸墨剂的吸墨原理 [4] 。物化指标对比,如表3所示。
将不同类型的二氧化硅吸墨剂产品按照相同配比,制备涂层,图层干燥后测试其色密度,并观察其色块交界处的墨点渗透情况和细线的清晰度。
将不同类型的二氧化硅吸墨剂在相同添加量、相同涂膜厚度时的打印效果进行对比。根据表4中的结色密度测试果显示微孔二氧化硅打印效果更佳。
若吸墨效果达不到最佳时,可通过适当增加二氧化硅吸墨剂的添加比例进行调整。而在相同的情况下,由于物化指标的不同,微孔二氧化硅可以有更高的添加量,这也是微孔二氧化硅在喷墨打印领域里的另一个优势 [5] 。
4.3. 塑料领域
塑料和塑料制品极大方便了人类的生活和生产。随着经济的发展,各行各业对塑料的需求还将在相当长的时间里继快速增长。塑料薄膜在实际生产过程中会根据不同用途,加入不同功能的添加剂。添加剂的加入不仅可以改善塑料薄膜的品质、特性和加工性能,还可以提高生产效率。
二氧化硅作为开口剂,具有无毒无污染的特性。通过加入二氧化硅,降低薄膜的摩擦系数,使薄膜易于层间滑动,解决了塑料薄膜在制造、加工、使用过程中存在的粘连问题 [6] 。
作为薄膜开口剂,二氧化硅吸油值是表征开口剂微观结构的重要指标。一个合适的吸油值可以提高塑料薄膜的各项性能,若吸油值过低将影响开口剂和高分子材料的结合,过高会使体系粘度增大,造成混合和流动的困难 [7] 。
以进口产品为对比例,从表5中可以看出相比常规大孔硅胶,微孔二氧化硅的各项性能指标更为接近进口产品。
5. 结果与讨论
总体来讲,在上述这些领域中,微孔型二氧化硅拥有明显优势。在未来经济发展中,微孔型二氧化硅
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Table 2. Comparison of microporous silica with imported products
表2. 微孔二氧化硅与进口产品对比
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Table 3. Comparison of physical and chemical indexes
表3. 物化指标对比
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Table 4. Color density test results at the same thickness of dry film
表4. 相同干膜厚度时色密度测试结果
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Table 5. Physical and chemical indexes of different products
表5. 不同产品各项物化指标
的需求也大大提高,在产品的发展和应用领域,仍需生产企业和产品使用企业加大研究力度。