硅胶生产的工艺特性及其工业应用

硅胶生产的工艺特性及其工业应用硅胶生产的工艺特性及其工业应用 2010年08月21日硅胶生产的工艺特性及其工业应用 1引言 硅胶是具有二维空间网状结构的一氧化硅干 凝胶，属多孔性固体物质，孔分布范围广，具有很 大的比表而，表而覆盖有大量的硅烷醇基因匕 Si- OH)，具有一定的活性。使它成为干燥剂、吸 附剂、催化剂及催化剂载体等，被广泛应用几工业 生产中。 2工艺特性硅胶的生产虽然大都经过凝胶、洗涤、干燥这 一共性，但具体到某一类型胶，又有工艺各异，相 互区别的个性。 2. 1凝胶造粒过程 凝胶造粒是硅胶生产的关键性步骤之一，是 指一定浓度的稀泡花碱液和稀硫酸在一定条件卜 充分反应形成溶凝胶溶液，达一定浓度后形成凝 胶颗粒。凝胶颗粒的形状、大小等完全山用户的需 求及工艺生产能力决定，关几成胶方法，日前多采 用空气造粒，粒度要求微细时，考虑到空气造粒的 难度，则大多采用反应罐凝胶造粒，例微粉硅胶的 生产。凝胶所用的酸碱比例、浓度、温度及凝胶造 粒时间等是凝胶造粒过程的特定工艺参数。 2.1.1酸性成胶(酸碱比例问题)时，一次凝胶粒 r(相当少初级粒向小，聚集时易形成细孔结构 的硅胶;碱性成胶时，一次凝胶粒r大，聚集时易 形成粗孔性的硅胶。这就是粗孔胶的生产优选碱 性成胶，细孔胶生产则优选酸性成胶的道理。 2.1.2酸碱浓度要适中。酸碱浓度过高，一次凝 胶粒r较大，聚集时成为较粗孔径的硅胶，Ifn凝胶 溶液中一次粒I浓度也大，即凝胶网状结构的紧 密度增大，聚集时又易成为细孔，一者有相互抵消 的倾向。再者，酸碱浓度过高，凝胶溶液的粘度增 大，给造粒带来一定的难度，另外，酸碱浓度的大小还要受到凝胶粒度、结构及生产设计能力等的 限制。 2. 1. 3酸碱温度过高.酸碱反应的速度过快.Ifu 酸碱反应木身又是放热反应.一次粒r聚集时又 要放热.因此.使得一次粒r任曾大”.造粒速度减 慢.势必超出工艺要求范围.对造粒不利;酸碱温 度过低.一次粒r减小.易形成细孔.但山几凝胶 溶液温度太低、粘度增加.同样也对造粒不利。因 此酸碱温度也要适中。 2. 1. 4凝胶造粒时间是凝胶造粒过程中又一至 关重要的工艺参数。是指从酸碱混合反应开始到 粒度凝胶形成为止所经历的时间.包括凝胶时间 与造粒时间。凝胶造粒时间短.则可能使凝胶溶液 反应不充分或均匀度不够.使得一次粒r的浓度 分布不匀.形成局部凝胶或局部紧密堆积.这就产 生造粒过程中的汽泡胶.碎胶或胶球强度不够等 现象。同时这也是造成胶球颗粒内部结构紊乱.孔 分布范围大的一个主要原因。因此.在生产实践 中.对几空气造粒.在工艺允许范围内.颗粒大的 胶.时间要尽量长.颗粒小的胶.时间则可适当短 些。Ifn对几在反应釜罐中凝胶造粒的特细微球硅 胶.时间则要更长.目_要加搅拌。 2. 2洗胶过程 洗胶是硅胶生产中不可少的工艺过程.是为 了将粒状凝胶所形成的NazSO洗掉,7将各阴 阳离r(主要为H十、N扩,SO呈一、Si0穿iYr等)控 制到工艺要求范围内。同时.它也是一个调整颗粒 内部结构(即老化)的过程。 2. 2. 1交换吸附(即Na十与H十的交换)现象是 洗胶过程的木质特性之一。酸泡过程是交换吸附 的主要过程.1 a与H十的交换多在这一过程完 成。水洗过程的交换远未停止只不过是交换量越 来越小。酸泡浓度、洗水介质、水洗温度是洗胶过 程的主要工艺参数，影响交换速度、数量等。 2. 2. 2成品硅胶的孔特性好大一部分是山洗胶 过程的老化决定的，而这一过程的老化程度取决 几洗胶介质、温度。洗胶介质、温度则是控制一次 粒子增长幅度”的主要因素，即通过调整一次粒 子的增幅”达到调整孔结构的目的。 细孔胶的洗涤要求抑制老化，因此，在凝胶造 粒形成后即进行必要而短促的老化后就进行酸 泡，洗胶介质自始至终必须显酸性，因为酸性介质 (即H十)能有效的抑制一次粒子的长大”，目_含 酸量的大小即决定了抑制老化程度的大小。同时， 洗胶温度应低些，因为老化是个吸收能量的过程， 温度低、供能少，老化程度自然也小。即细孔胶的 洗涤是通过抑制一次粒子的长大”，达到调整孔 结构的目的。特别对几孔结构要求严整(即孔分布 范围小)目_堆密度又要求在一定范围的细孔胶的 生产，例如对于变压吸附COz专用细孔胶的生 产。洗胶时洗水的含酸量、温度均要做出严格的要 求。山几细孔胶的洗涤温度低，交换速度慢，所以 洗涤时间要长些，但不能太大，时间太长，特别是 临近终l从时，反而加速老化。 粗孔胶的生产则要求促进老化。遵循碱性介 质、高温热水促进老化的原则，采取在酸泡前加入 高温热水，目_设法使其显碱性，提高水洗过程中的 温度，7在终l从结束时，加入一定浓度的氨水，以 增加0 H-离子的浓度等措施，促使一次粒子长 大”，扩大孔径，达到老化的目的。不难看出，在整 个水洗过程中，老化程度呈上升的趋势。山几水洗 温度高，不但颗粒内部一次粒子长大，目_颗粒间特 别是胶粉粒子间亦有长大”的趋向，这就是水洗 温度高时，胶粉聚集处容易结块，胶球表而粘粉的 又一主要原因。 对于较粗孔径即介于粗细孔胶间如T3型胶 的生产，适中老化即可，有时为缓冲干燥过程中的 液体表而张力作用，水洗终了进行表而处理。山几 温度过高，时间过长，处理液的存在会使胶球变化 ，因此处理液的应用要受干燥工艺条件的限制。 2. 3干燥过程 干燥是在液体表而张力作用卜，使胶球颗粒 水分蒸发体积收缩,7使一次粒子再度聚JI长 大”，达到深度老化的目的。细孔胶为了抑制老化 程度，经常是通过控制进干燥时胶球中的含酸量达到日的。在生产实践中，粗细孔胶多在一般的高 温条件卜干燥。干燥温度越高，一次粒r聚7的速 度越大，孔径越大。焙烧扩孔就是这个道理。为制 得孔烃收缩不大，甚至不缩孔的硅胶，常常采用降 低液体表而张力的方法达到日的。 2. 4成品胶质量参数指标与硅胶工艺特性的关 系 硅胶的工艺特性决定了成品胶的质量参数指 标，反过来成品胶的质量参数指标又要求一定的 工艺特性控制。现就成品胶堆密度为例剖析一者 的关系。堆密度是硅胶成品分析中的重要质量参 数之一，能直观Ifn简便的反应硅胶颗粒内部孔结 构的物理参数。硅胶是一种多孔性的固体颗粒，它 的表观体积V u实际山二部分组成，第一部分是 硅胶颗粒内部实际的孔所，片的体积以V a表示。 第_部分是堆积时颗粒之间的孔隙，以V ,表示。 第二部分是硅胶肾架所具有的体积，以Vi。表示。 这样V u-= V ,+ V a+ V t,=，设n，为硅胶的质量，即 得Pug-= m/V ,+ V+ V i,=(有别几硅胶密度Porgy= mlVa+ Vi,=)。 2. 4. 1同等条件卜，一定孔体积的硅胶，对应一 定的堆密度，A,T3,C二种类型胶的孔径、孔容依 次增大，V u则依次减小，这就是堆密度变成为区 别A,T3,C二种类型胶的依据，即便是同一类型 胶，堆密度的大小会粗略的判断硅胶颗粒内部的 孔结构。 2. 4. 2一般情况卜，酸性成胶时，一次粒r小，聚 集成的凝胶颗粒的孔径小，同等条件卜，形成成品 硅胶的孔径亦小，一定体积硅胶的Va:就小，堆积 密度自然大，碱性成胶，堆密度则小。空气造粒时， 若形成气泡胶，结构疏松，或因其它原因造成凝胶 一次粒r浓度降低等均会使成品胶的V a增大， 从Ifn使Par减小。 2. 4. 3洗胶条件影响成品胶的堆密度，例生产A 型胶时，山几洗胶介质一直为酸性，目_温度低，一 次粒r长大”的幅度小，即老化程度小，成品胶的 V a小，Pir自然大，含酸量不同，抑制老化的程度 亦不同，Pir也就不同。这就是洗胶过程中通过分 阶段取样检测堆密度来分析各阶段老化程度的一 个主要依据。对几粗孔胶的生产山几采取了酸泡 前用碱性热水老化一段时间，JI目_高温热水洗涤， 有时还用氨水处理终l从胶等措施，因Ifn使得老化 程度大，成品胶的孔体积增大，Pir则小。