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iY}r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。