ХИМИЯ КРЕМНЕЗЕМА

Способы приготовления частиц размером менее 10 нм

Первоначально технические золи приготовлялись с размером частиц, превышающим 8 нм, и, следовательно, могли быть скон­центрированы по крайней мере до 30 % Si02. Такие золи вполне транспортабельны, так как чрезвычайно стабильны против даль­нейшего роста частиц при обычной температуре (см. рис. 3.52). Впоследствии выяснилось, что для некоторых случаев должно быть предпочтительнее использование частиц еще меньшего раз­мера, и поэтому были разработаны золи с более низкими кон­центрациями кремнезема. Однако при этом возникает проблема, заключающаяся в том, что частицы размером меньше 8 нм, и особенно меньше 5 нм, начинают самопроизвольно расти в кон­тейнере, в котором они находятся, что'сопровождается соответ­ствующими изменениями в их свойствах. Более того, поскольку такие золи в общем случае можно сконцентрировать по крайней

Мере до 15 %, частицы золя диаметром меньше 5 нм могут при хранении частично агрегировать с определенными изменениями свойств золя. К вопросу получения и стабилизации золей дан­ного типа имеет отношение целый ряд патентов.

Александер [9| впервые приготовил очищенные от солей золи с размером частиц 5—8 нм, для которых определил предельные концентрации кремнезема и щелочи, требуемой для их стабили­зации, в зависимости от размера частиц. Диаметр частиц свя­зан следующей зависимостью со средним значением удельной поверхности кремнезема:

Удельная Диаметр, нм Концентрация Отношение

Поверхность, Si02, % Si02: Na20 и2'/г

600 4,6 15 -20 20-200

350 7,9 15-34 34-340

Айлер [32] разработал способ приготовления золя с содер­жанием 10 % Si02 и размером частиц ~3 нм. По этому спо­собу предусматривалось добавлять к золю, размер частиц кото­рого менее 3 нм, силикат натрия в таком количестве, чтобы вве­сти не более 4 % SiC>2 и чтобы концентрация ионов натрия не превышала 0,4 н. Золь подвергали старению в течение 10 мин, затем пропускали через колонну, заполненную сильнокислотной ионообменной смолой в водородной форме, чтобы снова полу­чить золь с рН 3,5. После этого повторяли весь процесс, под­держивая комнатную температуру.

Для того чтобы повысить концентрацию кремнезема, но не допустить роста частиц более 5—10 нм, раствор кремневой кис­лоты подщелачивают силикатом натрия, а затем добавляют до­полнительное количество кремневой кислоты, в то время как воду удаляют вакуумной дистилляцией. При данных условиях использование низкой температуры позволяет избежать чрез­мерного роста частиц, несмотря на добавление к системе «актив­ного» кремнезема [33]. По более ранней методике необходимо было сформировать частицы до желаемого размера в разбавлен­ном растворе, а затем сконцентрировать кремнезем за счет вы­паривания воды и добавления еще некоторого количества раз­бавленного золя. Так как добавляемые частицы кремнезема имеют тот же самый размер, что и частицы, находящиеся в ис­парителе, то никакого «наращивания» не происходит [34].

Использование аммиака в качестве стабилизирующего сред - • ства, несомненно, сводит к минимуму рост частиц. Уэлдес и Деролф [35] утверждают, что золи с размерами частиц 2—3 нм, содержащие вплоть до 12 % Si02, получаются, когда система стабилизируется смесью NaOH и NH4OH при отношениях (NH4)20:Na20 в интервале 25—150 и Si02: (NH4)20 в интер­вале 2—8. Вероятно, в этом случае адсорбция NH3 на поверх­ности кремнезема понижает скорость растворения кремнезема и, следовательно, замедляет рост частиц. Беркхеймер [36] также считает, что золь стабилизируется в избытке аммиака, и затем этот избыток удаляется в процессе выпаривания.

Мак-Нелли и Розенберг [37] методом деионизации раствора силиката натрия слабокислотной ионообменной смолой в водо­родной форме (предварительно нейтрализованной в виде суспен­зии при рН 6—7) приготовляли частицы кремнезема, размер которых оценивался в 1—3 нм. Вероятно, благодаря обработке смолы при рН 6—7 предотвращаются образование зародышей кремнезема и рост частиц до большого размера, которые могли бы сформироваться при более низком значении рН суспензии в процессе предварительной нейтрализации смолы. Отношение Si02: Na20 этих золей составляло от 4: 1 до 40 : 1 при концент­рациях 15—25% Si02. Возможно, что в отсутствие каких-либо зародышей большего размера рассматриваемый золь стано­вится необычно устойчивым по отношению к самопроизвольному росту частиц, хотя высокая концентрация, достигающая 25 %, наводит на мысль, что в последнем случае размер частиц дол­жен превышать 3 нм.

Воссос [38] сделал авторскую заявку на золи с частицами менее 5 нм, стабилизированные при рН 9—11 и содержащие до 25 % Si02. Для того чтобы свести к минимуму рост частиц, ав­тор использовал подщелоченный разбавленный золь, который концентрировался в вакууме при температуре ниже 65°С.

Реутер и Ревен [39] приготовили 15 %-ный золь с части­цами диаметром 7,5 нм из золя с частицами величиной 1—3 нм посредством нагревания при рН 8,7 и проведения «наращива­ния» при температуре 75°С.

Маротта [40] получил частицы размером 5—>10 нм добавле­нием раствора кремневой кислоты к разбавленному раствору силиката натрия, нагревая смесь в течение нескольких часов при 25—50°С, затем более длительно при 50—90°С и, наконец, в течение еще более продолжительного периода при 70—100°С с одновременным выпариванием воды. Очевидно, что такой спо­соб включает в себя сочетание процессов дополнительного об­разования зародышей и «наращивания» частиц.

Другие способы приготовления золей с частицами диамет­ром менее 5 нм и стабилизирование таких золей рассматрива­лись в разделе, посвященном полисиликатам. Золи с такими небольшими по размеру частицами стабилизировались относи­тельно большими количествами основания; при этом допуска­лось, что характерные свойства растворимых силикатов или полисиликатов преобладали над соответствующими свойствами коллоидного кремнезема.