硅膠生產(chǎn)的工藝特性及其工業(yè)應(yīng)用
1引言
硅膠是具有二維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的一氧化硅干凝膠，屬多孔性固體物質(zhì)，孔分布范圍廣，具有很大的比表而，表而覆蓋有大量的硅烷醇基因匕Si- OH)，具有一定的活性。使它成為干燥劑、吸附劑、催化劑及催化劑載體等，被廣泛應(yīng)用」幾工業(yè)生產(chǎn)中。
2工藝特性
硅膠的生產(chǎn)雖然大都經(jīng)過凝膠、洗滌、干燥這一共性，但具體到某一類型膠，又有工藝各異，相互區(qū)別的個(gè)性。
2. 1凝膠造粒過程
凝膠造粒是硅膠生產(chǎn)的關(guān)鍵性步驟之一，是指一定濃度的稀泡花堿液和稀硫酸在一定條件卜充分反應(yīng)形成溶凝膠溶液，達(dá)一定濃度后形成凝膠顆粒。凝膠顆粒的形狀、大小等完全山用戶的需求及工藝生產(chǎn)能力決定，關(guān)」幾成膠方法，日前多采用空氣造粒，粒度要求微細(xì)時(shí)，考慮到空氣造粒的難度，則大多采用反應(yīng)罐凝膠造粒，例微粉硅膠的生產(chǎn)。凝膠所用的酸堿比例、濃度、溫度及凝膠造粒時(shí)間等是凝膠造粒過程的特定工藝參數(shù)。
2.1.1
酸性成膠(酸堿比例問題)時(shí)，一次凝膠粒r(相當(dāng)少初級粒向小，聚集時(shí)易形成細(xì)孔結(jié)構(gòu)的硅膠;堿性成膠時(shí)，一次凝膠粒r大，聚集時(shí)易形成粗孔性的硅膠。這就是粗孔膠的生產(chǎn)優(yōu)選堿性成膠，細(xì)孔膠生產(chǎn)則優(yōu)選酸性成膠的道理。
2.1.2酸堿濃度要適中。
酸堿濃度過高，一次凝膠粒r較大，聚集時(shí)成為較粗孔徑的硅膠，Ifn凝膠溶液中一次粒I濃度也大，即凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的緊密度增大，聚集時(shí)又易成為細(xì)孔，一者有相互抵消的傾向。再者，酸堿濃度過高，凝膠溶液的粘度增大，給造粒帶來一定的難度，另外，酸堿濃度的大小還要受到凝膠粒度、結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)設(shè)計(jì)能力等的限制。
2. 1. 3酸堿溫度過高.
酸堿反應(yīng)的速度過快.Ifu酸堿反應(yīng)木身又是放熱反應(yīng).一次粒r聚集時(shí)又要放熱.因此.使得一次粒r任曾大”.造粒速度減慢.勢必超出工藝要求范圍.對造粒不利;酸堿溫度過低.一次粒r減小.易形成細(xì)孔.但山」幾凝膠
溶液溫度太低、粘度增加.同樣也對造粒不利。因此酸堿溫度也要適中。
2. 1. 4
凝膠造粒時(shí)間是凝膠造粒過程中又一至關(guān)重要的工藝參數(shù)。是指從酸堿混合反應(yīng)開始到粒度凝膠形成為止所經(jīng)歷的時(shí)間.包括凝膠時(shí)間與造粒時(shí)間。凝膠造粒時(shí)間短.則可能使凝膠溶液反應(yīng)不充分或均勻度不夠.使得一次粒r的濃度分布不勻.形成局部凝膠或局部緊密堆積.這就產(chǎn)生造粒過程中的汽泡膠.碎膠或膠球強(qiáng)度不夠等現(xiàn)象。同時(shí)這也是造成膠球顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)紊亂.孔分布范圍大的一個(gè)主要原因。因此.在生產(chǎn)實(shí)踐中.對」幾空氣造粒.在工藝允許范圍內(nèi).顆粒大的膠.時(shí)間要盡量長.顆粒小的膠.時(shí)間則可適當(dāng)短些。Ifn對」幾在反應(yīng)釜罐中凝膠造粒的特細(xì)微球硅膠.時(shí)間則要更長.目_要加攪拌。
2. 2洗膠過程
洗膠是硅膠生產(chǎn)中不可少的工藝過程.是為了將粒狀凝膠所形成的NazSO}洗掉,7{將各陰陽離r(主要為H十、N擴(kuò),SO呈一、Si0穿iY}r等)控制到工藝要求范圍內(nèi)。同時(shí).它也是一個(gè)調(diào)整顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)(即老化)的過程。
2. 2. 1交換吸附
(即Na十與H十的交換)現(xiàn)象是洗膠過程的木質(zhì)特性之一。酸泡過程是交換吸附的主要過程.1}' a'與H十的交換多在這一過程完成。水洗過程的交換遠(yuǎn)未停止只不過是交換量越來越小。酸泡濃度、洗水介質(zhì)、水洗溫度是洗膠過程的主要工藝參數(shù)，影響交換速度、數(shù)量等。
2. 2. 2
成品硅膠的孔特性好大一部分是山洗膠過程的老化決定的，而這一過程的老化程度取決」幾洗膠介質(zhì)、溫度。洗膠介質(zhì)、溫度則是控制一次粒子增長幅度”的主要因素，即通過調(diào)整一次粒子的增幅”達(dá)到調(diào)整孔結(jié)構(gòu)的目的。
細(xì)孔膠的洗滌要求抑制老化，因此，在凝膠造粒形成后即進(jìn)行必要而短促的老化后就進(jìn)行酸泡，洗膠介質(zhì)自始至終必須顯酸性，因?yàn)樗嵝越橘|(zhì)(即H十)能有效的抑制一次粒子的‘長大”，目_含酸量的大小即決定了抑制老化程度的大小。同時(shí)，洗膠溫度應(yīng)低些，因?yàn)槔匣莻€(gè)吸收能量的過程，溫度低、供能少，老化程度自然也小。即細(xì)孔膠的洗滌是通過抑制一次粒子的‘長大”，達(dá)到調(diào)整孔結(jié)構(gòu)的目的。特別對」幾孔結(jié)構(gòu)要求嚴(yán)整(即孔分布范圍小)目_堆密度又要求在一定范圍的細(xì)孔膠的生產(chǎn)，例如對于變壓吸附COz專用細(xì)孔膠的生產(chǎn)。洗膠時(shí)洗水的含酸量、溫度均要做出嚴(yán)格的要求。山」幾細(xì)孔膠的洗滌溫度低，交換速度慢，所以洗滌時(shí)間要長些，但不能太大，時(shí)間太長，特別是臨近終l從時(shí)，反而加速老化。
粗孔膠的生產(chǎn)則要求促進(jìn)老化。遵循堿性介質(zhì)、高溫?zé)崴龠M(jìn)老化的原則，采取在酸泡前加入高溫?zé)崴縚設(shè)法使其顯堿性，提高水洗過程中的溫度，7{在終l從結(jié)束時(shí)，加入一定濃度的氨水，以增加0 H-離子的濃度等措施，促使一次粒子‘長大”，擴(kuò)大孔徑，達(dá)到老化的目的。不難看出，在整個(gè)水洗過程中，老化程度呈上升的趨勢。山」幾水洗溫度高，不但顆粒內(nèi)部一次粒子長大，目_顆粒間特別是膠粉粒子間亦有‘長大”的趨向，這就是水洗溫度高時(shí)，膠粉聚集處容易結(jié)塊，膠球表而粘粉的又一主要原因。
對于較粗孔徑即介于粗細(xì)孔膠間如T3型膠的生產(chǎn)，適中老化即可，有時(shí)為緩沖干燥過程中的液體表而張力作用，水洗終了進(jìn)行表而處理。山」幾溫度過高，時(shí)間過長，處理液的存在會使膠球變化，因此處理液的應(yīng)用要受干燥工藝條件的限制。
2. 3干燥過程
干燥是在液體表而張力作用卜，使膠球顆粒水分蒸發(fā)體積收縮,7{使一次粒子再度聚JI‘長大”，達(dá)到深度老化的目的。細(xì)孔膠為了抑制老化程度，經(jīng)常是通過控制進(jìn)干燥時(shí)膠球中的含酸量達(dá)到日的。在生產(chǎn)實(shí)踐中，粗細(xì)孔膠多在一般的高溫條件卜干燥。干燥溫度越高，一次粒r聚7{的速度越大，孔徑越大。焙燒擴(kuò)孔就是這個(gè)道理。為制
得孔烴收縮不大，甚至不縮孔的硅膠，常常采用降低液體表而張力的方法達(dá)到日的。
2. 4成品膠質(zhì)量參數(shù)指標(biāo)與硅膠工藝特性的關(guān)
系
硅膠的工藝特性決定了成品膠的質(zhì)量參數(shù)指標(biāo)，反過來成品膠的質(zhì)量參數(shù)指標(biāo)又要求一定的工藝特性控制?，F(xiàn)就成品膠堆密度為例剖析一者的關(guān)系。堆密度是硅膠成品分析中的重要質(zhì)量參數(shù)之一，能直觀Ifn簡便的反應(yīng)硅膠顆粒內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)。硅膠是一種多孔性的固體顆粒，它的表觀體積V u}實(shí)際山二部分組成，第一部分是硅膠顆粒內(nèi)部實(shí)際的孔所，片的體積以V a}表示。第_部分是堆積時(shí)顆粒之間的孔隙，以V },}表示。第二部分是硅膠腎架所具有的體積，以Vi。表示。這樣V u}-= V },}+ V a}+ V t,=，設(shè)n，為硅膠的質(zhì)量，即得Pug-= m/V },'}+ V}}+ V i',=(有別」幾硅膠密度Porgy=mlVa}+ Vi',=)。
2. 4. 1
同等條件卜，一定孔體積的硅膠，對應(yīng)一定的堆密度，A,T3,C二種類型膠的孔徑、孔容依次增大，V u}則依次減小，這就是堆密度變成為區(qū)別A,T3,C二種類型膠的依據(jù)，即便是同一類型膠，堆密度的大小會粗略的判斷硅膠顆粒內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)。
2. 4. 2
一般情況卜，酸性成膠時(shí)，一次粒r小，聚集成的凝膠顆粒的孔徑小，同等條件卜，形成成品硅膠的孔徑亦小，一定體積硅膠的Va:就小，堆積密度自然大，堿性成膠，堆密度則小?？諝庠炝r(shí)，若形成氣泡膠，結(jié)構(gòu)疏松，或因其它原因造成凝膠一次粒r濃度降低等均會使成品膠的V a}增大，從Ifn使Par減小。
2. 4. 3
洗膠條件影響成品膠的堆密度，例生產(chǎn)A型膠時(shí)，山」幾洗膠介質(zhì)一直為酸性，目_溫度低，一次粒r‘長大”的幅度小，即老化程度小，成品膠的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。這就是洗膠過程中通過分階段取樣檢測堆密度來分析各階段老化程度的一個(gè)主要依據(jù)。對」幾粗孔膠的生產(chǎn)山」幾采取了酸泡前用堿性熱水老化一段時(shí)間，JI目_高溫?zé)崴礈?，有時(shí)還用氨水處理終l從膠等措施，因Ifn使得老化程度大，成品膠的孔體積增大，Pir則小。