岑澤輝 劉艷春

（廣州市紅日燃具有限公司，廣州510430）

1 引言

硅酸鋰，是水溶性硅酸鹽的一種。由于鋰離子半徑比鈉、鉀離子半徑小得多，因而硅酸鋰水溶液具有一些獨(dú)特的性能。硅酸鋰的水溶液具有優(yōu)良的耐水、耐高溫和干濕變化沖擊性能及獨(dú)有的自干性和不可再溶性，在防腐、建筑涂料和高級(jí)粘合劑方面有著廣泛的用途［1～3］。但是，目前硅酸鋰溶液價(jià)格昂貴，開(kāi)發(fā)高質(zhì)量、低成本的液體硅酸鋰材料有著誘人的應(yīng)用前景，同時(shí)也可以為硅酸鋰粉體的制備提供相關(guān)參考。本實(shí)驗(yàn)以硅微粉、鋰化合物為基礎(chǔ)原料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，考察不同的原料比例及用量、添加劑的用量、溶液濃度和熱處理溫度等對(duì)合成液體硅酸鋰的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，確定最佳工藝條件。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

實(shí)驗(yàn)儀器及試劑見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)所需的化學(xué)試劑及實(shí)驗(yàn)設(shè)備

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

本實(shí)驗(yàn)用硅粉與水反應(yīng)生成硅酸，然后利用硅酸和一水氫氧化鋰反應(yīng)生成硅酸鋰水溶液。

2.3 硅酸制備

2.3.1 反應(yīng)時(shí)間的影響

取50ml去離子水于100ml的燒杯中，在燒杯中加入7g硅粉，在80℃中預(yù)處理20min，使硅粉活化，然后加入0.027g一水氫氧化鋰作為催化劑，反應(yīng)后冷卻到50℃以下，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行抽濾，獲得硅酸溶液。取出7只坩堝，分別編號(hào)為1-7，分別稱(chēng)量各坩堝質(zhì)量，將溶液放于坩堝中，用電爐進(jìn)行灼燒，直到質(zhì)量無(wú)變化時(shí)，冷卻到室溫稱(chēng)取質(zhì)量，獲得SiO2的質(zhì)量，從而確定硅酸溶液中SiO2的濃度和硅粉的轉(zhuǎn)換率，獲得最佳的工藝參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)品性能的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，SiO2粒子不斷變大，不利于后面硅酸鋰溶液的形成。并且從節(jié)能和降低產(chǎn)品成本考慮，選取的最佳反應(yīng)時(shí)間為1.5h。

2.3.2 硅粉用量的影響

取50ml去離子水于100ml的燒杯中，在燒杯中加入硅粉，在80℃中預(yù)處理20min，使硅粉活化，然后加入0.027g一水氫氧化鋰作為催化劑，反應(yīng)后冷卻到50℃以下，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行抽濾，獲得硅酸溶液。取出8只坩堝，分別編號(hào)為1-8，分別稱(chēng)量各坩堝質(zhì)量，將溶液放于坩堝中，用電爐進(jìn)行灼燒，直到質(zhì)量無(wú)變化時(shí)，冷卻到室溫，稱(chēng)取質(zhì)量，獲得SiO2的質(zhì)量，從而確定硅酸溶液中SiO2的濃度和硅粉的轉(zhuǎn)換率，獲得最佳的工藝參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 硅粉用量對(duì)產(chǎn)品性能的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著硅粉的增加，有更多的硅粉與水反應(yīng)生成硅酸。但是，隨著硅粉的繼續(xù)增加，使得溶液中硅粉密度過(guò)大，溶液減少，反而阻礙了硅粉的進(jìn)一步反應(yīng)，并且溶液減少后，生成的硅酸容易進(jìn)一步與硅粉膠合在玻璃壁上結(jié)疤。綜合考慮選取的最佳的硅粉用量為8g。

2.3.3 反應(yīng)溫度的影響

取50ml去離子水于100ml的燒杯中，在燒杯中加入8g硅粉，在80℃中預(yù)處理20min，使硅粉活化，然后加入0.027g一水氫氧化鋰作為催化劑，反應(yīng)后冷卻到50℃以下，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行抽濾，獲得硅酸溶液。取出4只坩堝，分別編號(hào)為1-4，分別稱(chēng)量各坩堝質(zhì)量，將溶液放于坩堝中，用電爐進(jìn)行灼燒，直到質(zhì)量無(wú)變化時(shí)，冷卻到室溫，稱(chēng)取質(zhì)量，獲得SiO2的質(zhì)量，從而確定硅酸溶液中SiO2的濃度和硅粉的轉(zhuǎn)換率，獲得最佳的工藝參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)品性能的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著反應(yīng)溫度的升高，溶液中SiO2濃度不斷升高，溶液中的SiO2含量先增加，然后在80℃后迅速下降。反應(yīng)溫度在70℃以下時(shí)，反應(yīng)較為緩慢，在杯壁上結(jié)疤較少。但是，反應(yīng)溫度在90℃以上時(shí)，反應(yīng)十分劇烈且難以控制，并且反應(yīng)過(guò)程中會(huì)在杯壁上產(chǎn)生大量結(jié)疤，特別難以清理，由于反應(yīng)溫度過(guò)高，使得溶液蒸發(fā)較快，溶液含量不斷減少，生成的產(chǎn)物容易進(jìn)一步和硅粉等發(fā)生膠聯(lián)，不利于產(chǎn)物的獲得。因此選取的最佳反應(yīng)溫度為80℃。

2.3.4 催化劑用量的影響

取50ml去離子水于100ml的燒杯中，在燒杯中加入8g硅粉，在80℃中預(yù)處理20min，使硅粉活化，然后加入一水氫氧化鋰作為催化劑，反應(yīng)后冷卻到50℃以下，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行抽濾，獲得硅酸溶液。取出5只坩堝，分別編號(hào)為1-5，分別稱(chēng)量各坩堝質(zhì)量，將溶液放于坩堝中，用電爐進(jìn)行灼燒，直到質(zhì)量無(wú)變化時(shí)，冷卻到室溫稱(chēng)取質(zhì)量，獲得SiO2的質(zhì)量，從而確定硅酸溶液中SiO2的濃度和硅粉的轉(zhuǎn)換率，獲得最佳的工藝參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 催化劑用量對(duì)產(chǎn)品性能的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著催化劑的加入，溶液中SiO2的含量迅速增加，當(dāng)用量達(dá)到0.04g時(shí)，SiO2的含量增加緩慢，證明催化劑的催化效果達(dá)到最大值。催化劑用量在0.02g以下時(shí)，反應(yīng)較為緩慢，隨著催化劑的繼續(xù)加入，反應(yīng)越來(lái)越劇烈。但是當(dāng)催化劑在0.04g時(shí)，催化劑的催化效果差不多到達(dá)最大值，隨著催化劑的繼續(xù)加入，催化效果增長(zhǎng)緩慢。并且催化劑的加入量對(duì)后期硅酸鋰制備的pH值有影響，因此取最佳催化劑量為0.04g。

2.4 硅酸鋰的制備

在制備硅酸鋰溶液時(shí)，硅酸溶液中的SiO2粒徑不能過(guò)大，應(yīng)該控制在5微米以下，不然在反應(yīng)過(guò)程中會(huì)引起膠化，而且不能制成透明的硅酸鋰水溶液［4］。在硅酸水溶液和氫氧化鋰反應(yīng)時(shí)，應(yīng)該先將氫氧化鋰粉末溶解在少量的水中，然后再與硅酸溶液反應(yīng)。反應(yīng)時(shí)將硅酸溶液和氫氧化鋰在50℃～90℃下反應(yīng)0.5h～3h，即可得到透明而穩(wěn)定的硅酸鋰水溶液。制得的硅酸鋰水溶液在50℃～90℃下蒸發(fā)濃縮，便可得到SiO2含量10～25%濃度的硅酸鋰水溶液。該方法制得的硅酸鋰水溶液，由于其中的二氧化硅粒子較小，因此清澈透明，而且長(zhǎng)期貯存穩(wěn)定性好。

2.4.1 反應(yīng)溫度的影響

將一水氫氧化鋰加入到硅酸溶液中，分別在60℃、70℃、80℃下反應(yīng)1h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)品性能的影響

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，分別在60℃、70℃、80℃下反應(yīng)1h后，產(chǎn)品的成膜性能都很好且不易脫落。但反應(yīng)在80℃下進(jìn)行時(shí)，在杯壁上產(chǎn)生大量結(jié)疤且不易清洗；在70℃下反應(yīng)時(shí)，在杯壁上有少量結(jié)疤；在60℃下反應(yīng)時(shí)杯壁上無(wú)結(jié)疤，且產(chǎn)品的各種性能也較為優(yōu)異。因此最佳反應(yīng)溫度為60℃。

2.4.2 反應(yīng)時(shí)間的影響

將一水氫氧化鋰加入到硅酸溶液中，在80℃下邊攪拌邊反應(yīng)，分別在15min、30min、45min、60min、75min、90min、105min、120min八個(gè)水平反應(yīng)時(shí)間下進(jìn)行反應(yīng)，如表7所示。

表7 反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)品性能的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溶液在反應(yīng)不足15min時(shí)，成膜性能較差，容易刮落。在反應(yīng)90min以上時(shí)，開(kāi)始在杯壁上形成少量結(jié)疤。溶液在反應(yīng)30min至60min性能較好，從穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性考慮，取60min為最佳反應(yīng)時(shí)間。

2.4.3 溶液的蒸發(fā)濃縮

將反應(yīng)后的硅酸鋰溶液進(jìn)行減壓蒸發(fā)濃縮，在蒸發(fā)濃縮時(shí)應(yīng)該控制好溫度。溫度過(guò)低，蒸發(fā)濃縮耗時(shí)較長(zhǎng)；溫度過(guò)高，溶液容易結(jié)疤并且有沉淀生成。將硅酸溶液中加入一水氫氧化鋰，在溫度為60℃下反應(yīng)1h后，將溶液分別在50℃、60℃、70℃、80℃、90℃下進(jìn)行蒸發(fā)濃縮，觀察溫度對(duì)蒸發(fā)濃縮的影響。如表8所示。

表8 反應(yīng)溫度對(duì)蒸發(fā)濃縮的影響

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)溶液溫度高于70℃時(shí)溶液開(kāi)始慢慢形成結(jié)疤和沉淀，不利于產(chǎn)品的質(zhì)量和工業(yè)生產(chǎn)，但是溫度過(guò)低需要在較低負(fù)壓下進(jìn)行，對(duì)設(shè)備要求較高，因此我們選取的最佳蒸發(fā)濃縮溫度為60℃。

3 實(shí)驗(yàn)表征

將20g SiO2含量為1.765%的硅酸溶液中加入0.108g一水氫氧化鋰，在溫度為60℃下反應(yīng)1h后，將硅酸鋰溶液涂在玻璃片上，觀察其成膜情況。

該配比硅酸鋰溶液的成膜光滑平整，基本上無(wú)缺陷，因此獲得成膜性能較好的硅酸鋰溶液。將制備的硅酸鋰溶液在800℃下熱處理2h，測(cè)得的XRD譜圖如圖1所示。由圖1可以看出，最終產(chǎn)物中只有二氧化硅和硅酸鋰兩種物質(zhì)，無(wú)其它物質(zhì)存在，說(shuō)明最終獲得的硅酸鋰溶液純度較高。

圖1 硅酸鋰的XR

4 結(jié)論

以硅酸粉和一水氫氧化鋰為原料制備硅酸鋰溶液，通過(guò)將硅粉形成的硅酸溶液中和一水氫氧化鋰，在60℃下反應(yīng)1h，然后在60℃下蒸發(fā)濃縮，便可以獲得二氧化硅含量在20%左右的硅酸鋰溶液，且該溶液具有較好的成膜性能。