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发表于 2008-10-19 20:37:47
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硅胶生产的工艺特性及其工业应用
, J9 v4 `" M. i1 P) D7 o, |+ x+ o- C# u9 O( L: [! }
1引言 * a" d, j0 K1 k2 C6 \/ J- G
硅胶是具有二维空间网状结构的一氧化硅干 - U' ?- Z. k% H! A9 A; p
凝胶,属多孔性固体物质,孔分布范围广,具有很
5 H0 X4 j. ^3 v大的比表而,表而覆盖有大量的硅烷醇基因匕 0 M: `9 a7 y5 [/ O
Si- OH),具有一定的活性。使它成为干燥剂、吸 ( A# i/ Z5 |/ k4 M* y9 J) h
附剂、催化剂及催化剂载体等,被广泛应用」几工业
! o+ n6 o% {) U2 k. ^生产中。 8 o0 ~3 U# V1 _" _/ A) q8 s
2工艺特性
3 `3 B2 c) F9 ] U$ `( u: h; n硅胶的生产虽然大都经过凝胶、洗涤、干燥这 ) K: e; o- |6 P! Z4 K: s
一共性,但具体到某一类型胶,又有工艺各异,相 & B1 X" q6 q7 U6 R
互区别的个性。 : t% p) a% Y7 O' J3 U# Z8 z
2. 1凝胶造粒过程
2 D" G2 ]* d9 Z: {/ e1 U凝胶造粒是硅胶生产的关键性步骤之一,是 : i7 L0 L \: W8 q' `6 m
指一定浓度的稀泡花碱液和稀硫酸在一定条件卜 8 a& F2 x$ ?, c* R
充分反应形成溶凝胶溶液,达一定浓度后形成凝
5 M) R, Y* @9 V# _9 Z胶颗粒。凝胶颗粒的形状、大小等完全山用户的需 : e7 y: O+ |& O8 |% L
求及工艺生产能力决定,关」几成胶方法,日前多采
- I. O7 k' c2 ~用空气造粒,粒度要求微细时,考虑到空气造粒的
" `) d$ j9 b8 t/ V) [难度,则大多采用反应罐凝胶造粒,例微粉硅胶的
3 r& ]% x) V: V) u7 w6 M生产。凝胶所用的酸碱比例、浓度、温度及凝胶造
0 a! w, M2 Q: c3 l粒时间等是凝胶造粒过程的特定工艺参数。 ! R; ?% G7 @2 s+ G( \
2.1.1酸性成胶(酸碱比例问题)时,一次凝胶粒 2 U* M: O; ?. L
r(相当少初级粒向小,聚集时易形成细孔结构
' \; k- J w0 L0 B的硅胶;碱性成胶时,一次凝胶粒r大,聚集时易
' q. e- q( M' B1 Y形成粗孔性的硅胶。这就是粗孔胶的生产优选碱 9 l0 i# L/ B" v i3 _
性成胶,细孔胶生产则优选酸性成胶的道理。
7 r1 m7 i3 t. ~+ g2.1.2酸碱浓度要适中。酸碱浓度过高,一次凝 1 y: O4 h2 I( N; o4 f0 b0 G: D+ k
胶粒r较大,聚集时成为较粗孔径的硅胶,Ifn凝胶 ! V5 p$ a R$ D5 O. m$ K
溶液中一次粒I浓度也大,即凝胶网状结构的紧 0 |/ b" Q3 n2 F
密度增大,聚集时又易成为细孔,一者有相互抵消 8 Y1 {. m7 f& V1 D/ C
的倾向。再者,酸碱浓度过高,凝胶溶液的粘度增
% R3 ^4 U# J4 M! h- N( \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
% n3 K0 H A5 e5 D0 U# O限制。
+ t3 i# z2 z s3 g1 @2. 1. 3酸碱温度过高.酸碱反应的速度过快.Ifu
% {1 [; E6 a3 ?- z酸碱反应木身又是放热反应.一次粒r聚集时又
* k' |( M2 A# S0 P- Q! e9 C要放热.因此.使得一次粒r任曾大”.造粒速度减 @- A$ H' _0 N* B H
慢.势必超出工艺要求范围.对造粒不利;酸碱温 2 Y8 ]$ s1 ~& N& W& J: G: D
度过低.一次粒r减小.易形成细孔.但山」几凝胶
8 |7 ?5 r1 n. V g0 |" h( [溶液温度太低、粘度增加.同样也对造粒不利。因 ! p, ^, H# V7 @' m4 s
此酸碱温度也要适中。 6 H( Y5 \2 F8 U ~5 T
2. 1. 4凝胶造粒时间是凝胶造粒过程中又一至
) l8 k7 x' ~ B6 c关重要的工艺参数。是指从酸碱混合反应开始到 4 Y1 K, v8 u9 h, \( }* c
粒度凝胶形成为止所经历的时间.包括凝胶时间 ( G0 c0 [" @/ R7 y) T
与造粒时间。凝胶造粒时间短.则可能使凝胶溶液 3 _2 O& P' |. K* c) p3 x0 T
反应不充分或均匀度不够.使得一次粒r的浓度 9 A0 o, k$ ~3 T% E) d$ E, Y
分布不匀.形成局部凝胶或局部紧密堆积.这就产
- n& @ d* m1 G# q* S8 `0 M生造粒过程中的汽泡胶.碎胶或胶球强度不够等
7 y$ K# e0 N- t8 g# t1 s3 E现象。同时这也是造成胶球颗粒内部结构紊乱.孔
* J# w6 r) w# o2 c" Y分布范围大的一个主要原因。因此.在生产实践 ) u! m9 Q% A. v0 P% O, f' u
中.对」几空气造粒.在工艺允许范围内.颗粒大的 : z) C6 g4 { d2 \, s
胶.时间要尽量长.颗粒小的胶.时间则可适当短 , F! B/ U' {0 B1 K& l& ?1 A( d3 f3 L
些。Ifn对」几在反应釜罐中凝胶造粒的特细微球硅
$ n2 O! X8 D- r2 p! L8 u9 k3 ]胶.时间则要更长.目_要加搅拌。
; \2 G" {9 ^9 ^. K5 w- Z! X' k; L2. 2洗胶过程
# t5 Z" s. q* e5 f! ]+ J n& Y洗胶是硅胶生产中不可少的工艺过程.是为
4 ]0 N- t& W9 ^了将粒状凝胶所形成的NazSO}洗掉,7{将各阴
* S9 B) D$ G9 K1 ^, C$ G阳离r(主要为H十、N扩,SO呈一、Si0穿iY}r等)控 ! ^% V" H4 T( R+ R. b4 F" k9 s
制到工艺要求范围内。同时.它也是一个调整颗粒 + L2 J8 n4 s0 Z M% I! U; w+ e3 |
内部结构(即老化)的过程。 2 j) c# l ~# }% {- S
2. 2. 1交换吸附(即Na十与H十的交换)现象是
w7 W6 `. {& Q9 F洗胶过程的木质特性之一。酸泡过程是交换吸附 , \+ A. S; u- K' z
的主要过程.1}' a'与H十的交换多在这一过程完 1 ?3 l# Z: D4 I6 G+ t
成。水洗过程的交换远未停止只不过是交换量越 $ j2 J& w& R6 ?6 b+ ^
来越小。酸泡浓度、洗水介质、水洗温度是洗胶过
' S: Z1 ^" Q S% `1 D程的主要工艺参数,影响交换速度、数量等。
7 p& h+ ]- x3 K3 ]- a& [9 K( z2. 2. 2成品硅胶的孔特性好大一部分是山洗胶
& n/ t! [8 D2 v( K过程的老化决定的,而这一过程的老化程度取决
; v* N; U% q$ f* \. V% ~ E」几洗胶介质、温度。洗胶介质、温度则是控制一次
: b3 a9 O$ [: |; ^ T6 z* v粒子增长幅度”的主要因素,即通过调整一次粒
3 Z; k7 ^9 h' |, K3 S/ p6 ]4 r子的增幅”达到调整孔结构的目的。 & ?" D7 Y# G1 h/ F2 `3 \6 b
细孔胶的洗涤要求抑制老化,因此,在凝胶造 2 \2 g3 y F) b1 R( T/ j
粒形成后即进行必要而短促的老化后就进行酸
8 n, w8 I4 I# U6 Z) b, |4 B+ B泡,洗胶介质自始至终必须显酸性,因为酸性介质 6 Q- r' K+ L5 \; q% N6 w5 S. P
(即H十)能有效的抑制一次粒子的‘长大”,目_含 " [" v6 [. G7 h1 U9 ?( t
酸量的大小即决定了抑制老化程度的大小。同时,
/ p' G& W3 y9 U' b6 Y- h4 M I3 U洗胶温度应低些,因为老化是个吸收能量的过程,
9 R+ \' T' f5 i1 g. r温度低、供能少,老化程度自然也小。即细孔胶的 S; Q* z8 G& z( Q, R i+ c! ?3 I+ N
洗涤是通过抑制一次粒子的‘长大”,达到调整孔
2 y# u. P4 a+ P结构的目的。特别对」几孔结构要求严整(即孔分布 . f+ Y' ^& G+ `+ M% a( y
范围小)目_堆密度又要求在一定范围的细孔胶的 $ w& {3 B6 ]6 [, Z4 t) t( o& ^
生产,例如对于变压吸附COz专用细孔胶的生
$ L& U6 H7 ~; @6 ?# t产。洗胶时洗水的含酸量、温度均要做出严格的要
8 Q$ ]5 I* r' o- ]4 x& ^$ f求。山」几细孔胶的洗涤温度低,交换速度慢,所以
9 r" A% E6 Q0 V c1 A洗涤时间要长些,但不能太大,时间太长,特别是 # O1 I, k* [- r& Y, W
临近终l从时,反而加速老化。
4 R" B$ Q. E- g' T3 s粗孔胶的生产则要求促进老化。遵循碱性介 9 b& M& e% t: W* [: c# n
质、高温热水促进老化的原则,采取在酸泡前加入
7 Y9 _8 m! u6 B+ J# w _高温热水,目_设法使其显碱性,提高水洗过程中的
) T9 ^7 @% z+ K/ W温度,7{在终l从结束时,加入一定浓度的氨水,以
% Z) m6 T! G0 u+ U4 J& l增加0 H-离子的浓度等措施,促使一次粒子‘长
2 L: Z0 L: y8 E& Q大”,扩大孔径,达到老化的目的。不难看出,在整
2 Y3 m, s7 k* @4 c1 o个水洗过程中,老化程度呈上升的趋势。山」几水洗 % L0 E0 k" [0 J+ ]8 h
温度高,不但颗粒内部一次粒子长大,目_颗粒间特
) @2 k. R. v* d, p7 e别是胶粉粒子间亦有‘长大”的趋向,这就是水洗
: J9 i5 T; b. X" ]6 G5 f$ }; W4 N温度高时,胶粉聚集处容易结块,胶球表而粘粉的
' k- D9 I+ A" g! t# U4 K$ s7 q又一主要原因。
! U; _: k) w( u1 `对于较粗孔径即介于粗细孔胶间如T3型胶
7 O# }* x3 `# H4 @的生产,适中老化即可,有时为缓冲干燥过程中的 % H0 C S: T; C& [6 A* O
液体表而张力作用,水洗终了进行表而处理。山」几
& e9 z% w- @9 W# E温度过高,时间过长,处理液的存在会使胶球变化 & L- d4 W: H. B/ H ^; M3 A. f; |
,因此处理液的应用要受干燥工艺条件的限制。 1 |: A1 `3 m2 \) N _0 }
2. 3干燥过程 2 P5 h( w" e5 w+ L) i& ?. S
干燥是在液体表而张力作用卜,使胶球颗粒
I) Q0 G; Q% Q0 S; o1 G: e水分蒸发体积收缩,7{使一次粒子再度聚JI‘长 + d m7 e# q) ]1 L4 ^5 b1 q, E
大”,达到深度老化的目的。细孔胶为了抑制老化
/ A3 U4 g u+ k2 H; Y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 o, Z6 o* C G! r/ i
温条件卜干燥。干燥温度越高,一次粒r聚7{的速
' `/ j2 Z# [0 F( H度越大,孔径越大。焙烧扩孔就是这个道理。为制
( N% N% m7 S0 n得孔烃收缩不大,甚至不缩孔的硅胶,常常采用降
" u% l" X9 z: v+ \ a低液体表而张力的方法达到日的。 : I! R) p- }: X: g
2. 4成品胶质量参数指标与硅胶工艺特性的关
1 M( c$ X) X0 s. B3 s/ R4 d6 b* C) e系
: n6 a' q# P! ]- C$ Z硅胶的工艺特性决定了成品胶的质量参数指
. U7 `5 a( X$ t3 q) d4 v2 P9 ~标,反过来成品胶的质量参数指标又要求一定的 4 K7 K" c. n: K# b
工艺特性控制。现就成品胶堆密度为例剖析一者 , m5 k6 r$ y4 R) b7 K" d
的关系。堆密度是硅胶成品分析中的重要质量参 ) w* l: D1 p1 }7 Z! ~4 L: I
数之一,能直观Ifn简便的反应硅胶颗粒内部孔结
1 h4 J' @/ \1 v; S. x& Y9 h, U/ V构的物理参数。硅胶是一种多孔性的固体颗粒,它 5 |+ E6 C! Q3 A" N& e) q5 D6 k
的表观体积V u}实际山二部分组成,第一部分是
6 G. l* I3 \; |" L硅胶颗粒内部实际的孔所,片的体积以V a}表示。
) \, K) J% M4 ?/ T( e0 v2 P: g第_部分是堆积时颗粒之间的孔隙,以V },}表示。
; J- ^4 X, G! C6 {( Q) e7 R第二部分是硅胶肾架所具有的体积,以Vi。表示。 9 F0 m; F( w; ^/ H: z% H( P8 l
这样V u}-= V },}+ V a}+ V t,=,设n,为硅胶的质量,即
1 T) i h8 [. ^! r( \+ v得Pug-= m/V },'}+ V}}+ V i',=(有别」几硅胶密度Porgy= 4 D( t7 O a) j* S% d9 W9 B" V
mlVa}+ Vi',=)。 1 h9 L7 u6 \4 y( \, O' S/ h+ U
2. 4. 1同等条件卜,一定孔体积的硅胶,对应一 $ n6 E" D3 M- z% n
定的堆密度,A,T3,C二种类型胶的孔径、孔容依 & j5 T) N' o+ }- V! B
次增大,V u}则依次减小,这就是堆密度变成为区
( \ u$ O9 ]5 v3 a5 h0 Q别A,T3,C二种类型胶的依据,即便是同一类型 # k* r% P$ R7 P1 p
胶,堆密度的大小会粗略的判断硅胶颗粒内部的
, v! H& L0 H5 M( F孔结构。
* _2 R1 j+ F1 B o2. 4. 2一般情况卜,酸性成胶时,一次粒r小,聚
2 R* _1 D0 D- g7 f集成的凝胶颗粒的孔径小,同等条件卜,形成成品
6 l/ N) L8 D3 e: _" t6 X硅胶的孔径亦小,一定体积硅胶的Va:就小,堆积 4 y& N, @1 p, l0 N
密度自然大,碱性成胶,堆密度则小。空气造粒时,
1 J# h, s! L' O$ M若形成气泡胶,结构疏松,或因其它原因造成凝胶
' V/ G M1 v# U一次粒r浓度降低等均会使成品胶的V a}增大,
# n9 C! m6 `* X1 \2 P: h8 B; n从Ifn使Par减小。 ; o' ?8 O8 M p$ n; d+ r
2. 4. 3洗胶条件影响成品胶的堆密度,例生产A & n, E! k2 [) ~" S* ~
型胶时,山」几洗胶介质一直为酸性,目_温度低,一 3 F4 ^$ d- @9 M& A: S' r7 \
次粒r‘长大”的幅度小,即老化程度小,成品胶的 . S# l: C% w7 [/ K; n
V a}小,Pir自然大,含酸量不同,抑制老化的程度
! {! U( n: M7 a. z5 M亦不同,Pir也就不同。这就是洗胶过程中通过分
0 s7 r) ~! f( A+ N阶段取样检测堆密度来分析各阶段老化程度的一
/ t! ?4 Z" v! y1 @个主要依据。对」几粗孔胶的生产山」几采取了酸泡 9 |. Z Y) h& s7 _
前用碱性热水老化一段时间,JI目_高温热水洗涤, - Z* |* i: A5 l- s& D' v
有时还用氨水处理终l从胶等措施,因Ifn使得老化
3 I* \* G5 B e% z T, s# w3 e程度大,成品胶的孔体积增大,Pir则小。 |
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