硅溶胶结合剂(silicasol  binder)

耐火材料结合剂的一种。它是用硅酸钠或硅的有机化合物经过物理化学处理而制得的结合剂，又称硅酸溶胶。硅溶胶为无色或乳白色透明胶体溶液，它是由SiO₂胶体粒子分散在水溶液中形成的，具有良好的胶结性能。

制备制取硅溶胶的方法有5种：(1)用硅酸乙酯水解法(见硅酸乙酯结合剂)；(2)用硅酸钠(水玻璃)溶液进行电解、渗析和电渗析法制取；(3)用气态氟处理硅酸钠法制取；(4)用硅酸钠与乙二醛和盐酸水溶液相互作用法制取；(5)用硅酸钠溶液进行离子交换法制取。但广泛采用的是用离子交换法从硅酸钠溶液中脱除去Na⁺和Cl⁺而制得的。其生产流程见图1。

工艺流程中阳离子交换所用的阳离子交换树脂多数是交链的有机高分子物质。这种树脂含有活泼的可以被阳离子交换的酸性基团，如磺酸基-SO₃H，羧基-COOH，和酚基-OH等。由于磺酸是较强的酸，故含磺酸基的树脂R-SO₃H是强酸性的阳离子交换树脂，而R-COOH和R-OH则为弱酸性阳离子交换树脂。这些树脂中酸性基团上的H⁺离子都可以电离，因而能与其他阳离子交换，其交换反应如下：

                      R-SO₃H+Na⁺=±R-SO₃Na+H⁺

                     或2R-SO₃H+Me²⁺=(R-SO₃H)₂ Me+2H⁺

式中Me²⁺为2价阳离子。此类交换过程是可逆的，已经交换上的树脂可以再生，如果用酸处理，共反应向反方向进行，树脂又可恢复原状。经阳离子交换的硅溶胶的pH=2～3。

水玻璃中除含有大量的阳离子外，还含有大量的阴离子，如Cl^-、SO^-2₂、CO^-2₃和PO^-3₄等。阴离子的存在会使硅溶胶不稳定，放置后会自行聚集成凝胶。同时，在蒸发浓缩过程中，因阴离子的影响，会使胶体粘度越来越大，浓缩不能进行到所需的浓度，因此还须通过阴离子交换除去阴离子。所用的阴离子交换树脂是含有活泼的可以被阴离子交换的碱性基团，如伯胺基R—NH。仲胺基R—NH(CH₃)、叔胺基R—N(CH₃)₂。这些弱碱性基团的树脂当它们水化后，会分别形成含可以离解的OH^-离子化合物，如R-NH₃⁺OH^-      R-NH₂  (CH₃⁾⁺OH_-，R-NH(CH₃)⁺OH^-，还有季胺型阴离子交换树脂R—N(CH₃)⁺OH，它是强碱性树脂。所有这些树脂都含有可以电离的OH^-离子，它们可与其他阴离子进行交换，其反应如下：                       R-NH₃⁺OH+Cl^-=R-NH₃⁺Cl+OH^-

                     R-N(CH₃)₃⁺OH^-+Cl^-=R-N(CH₃)₃⁺Cl^-+OH^-

在阴离子交换树脂中，以强碱性的交换树脂应用最广。它对强酸根和弱酸根离子都能进行交换，在酸性、碱性和中性溶液中都能应用；弱碱性阴离子交换树脂在碱性溶液中不离解，因此只能在酸性溶液中应用。失效后的阴离子树脂也可以4％NaOH水溶液冲洗再生，使树脂恢复原状再使用。

通过阴离子交换柱交换后的硅溶胶pH<6，为微乳白色透明胶体溶液。经过阳、阴离子交换柱交换后的硅溶胶是具有很大活性的稀硅酸，容易受杂质离子的影响发生凝胶，因此还须加稳定剂，使其pH值保持在8.0～9.5之间，所用的稳定剂有NaOH、NH₄OH、Na₂SiO₃等。经加稳定剂调整后再在常压下或减压下浓缩而制得产品。此外，还有制取SiO₂含量高于50％的高浓度硅溶胶的方法。此种硅溶胶可制成易溶于水的固态硅胶，使用时溶解于水中即可成为稳定的硅溶胶溶液。

性能        硅溶胶胶粒的中心部分胶核是由SiO₂的聚集体构成的，而胶核SiO₂的结合是通过SiO₂粒子表面上形成的硅醇基(Si-OH)解离出H⁺，使硅与氧结合成硅氧烷(-Si-O-Si-)产生的。

硅酸溶胶在水中会发生如下电离生成H⁺和SiO₃^2-

                        H₂SiO₃==2H⁺ +SiO₃^2-

电离出的几个SiO₃^2-会被胶核所吸附，同时有2n个H⁺电离出来。其中有2(n-x)个H⁺离子被吸附在SiO₃^2-周围。胶核所吸附的SiO₃^2-和部分H⁺离子形成吸附层，而部分H⁺扩散到溶液中，这样使胶粒带负电，同时在胶粒周围还松弛地吸附一部分带相反电荷的H⁺离子，这部分2x个H⁺离子形成了扩散层，因此硅溶胶胶粒的结构式用下式表示：

图2为硅溶胶胶粒的结构示意图。由于这种悬浮的胶粒带有相同的负电荷，产生互相排斥作用，故硅溶胶一般不会发生凝聚而成为凝胶，可稳定保存较长的时间。

硅溶胶的产品性能随用途不同而异，溶胶中的SiO₂含量波动较大，可从15％到50％。但一般用作耐火材料结合剂的硅溶胶中SiO₂含量为25％～30％，Na₂O含量≤0.30％，密度为1.1～1.18kg／m³，粘度为0.005～0.03Pa•s，pH值为8.5～9.5。硅溶胶具有较强的吸附性能和较好的粘结性能。

应用        硅溶胶可作耐火材料的结合剂。对酸性、中性和碱性耐火材料均适用。用作耐火制品的结合剂，尤其是半干法机压成型的耐火制品，可直接使用硅溶胶，而不必加其他外加剂。但用作不定形耐火材料的结合剂时，尤其是喷涂料，必须加入促硬剂来调整其凝结硬化速度。一般可采用如下方法来调节其凝胶化时间：(1)加入酸。硅溶胶的凝胶化时间受其pH值的影响。一般硅溶胶溶液的pH值在8．5～10．5时硅溶胶最稳定，pH值低于3．5时也比较稳定，不易产生凝胶，而pH值在4～8之间时就变得不稳定，粘度增大很快。这是胶粒之间聚结引起的，最终变成为凝胶。加入盐酸和醋酸对硅溶胶凝胶化时间的影响见图3。(2)加入碱金属氧化物。硅溶胶溶液的pH值大于10．5时，不稳定，容易出现凝胶。因此要加入碱性氧化物或其氢氧化物来调节凝胶时间，加入后可提高溶液中的阳离子浓度，使溶液的pH值提高，使胶粒有机会吸附更多的阳离子而失去带电性，从而产生凝聚作用。(3)加入电解质。加入适量的电解质，如Na₂SO₄、NaCl、KCl、BaCl₂、Al₂(SO₄)。等物质时，会降低胶粒所带的电荷量，从而使胶粒发生凝聚作用，特别是pH=7时，这种影响更为显著。NaCl和Na₂SO₄加入量对硅溶胶凝胶化时间的影响见图4。

硅溶胶与一般增液溶胶不同，凝聚为固体便不可逆。用硅溶胶作结合剂使用方便，由硅溶胶中悬浮粒子

表面积和体积之比很大，因此它能够很均匀地包裹被胶结的物质的表面，结合强度高。用硅溶胶作耐火材料的结合剂时，其凝结时间的长短还受到环境温度，原材料的吸附性、吸水率等影响，同时也受硅溶胶本身存放时间的影响。这些因素在使用硅溶胶时都必须加以考虑，以便选择合适的外加剂来调节其凝结硬化时间。