1. 簡(jiǎn)單介紹一下什么是二氧化硅SiO2

在地殼的所有氧化物礦物中，二氧化硅是最豐富的。它不僅與其他氧化物礦物結合存在，而且還會(huì )以沙子等形式獨立存在。珍貴的礦物蛋白石是一種無(wú)定形二氧化硅，幾百年來(lái)一直備受人們推崇。

二氧化硅除了是地球上最豐富的礦物外，它也嚴重影響我們的日常生活。硅藻土是一種構成海洋底層食物鏈的浮游植物，其骨骼由二氧化硅組成。許多植物使用二氧化硅來(lái)硬化莖，從而易于加持水果，并形成外部針狀保護層。二氧化硅在動(dòng)物體內也有很明顯的作用，我們每個(gè)人體內都含有大量的二氧化硅，沒(méi)有二氧化硅，我們的骨骼、頭發(fā)和牙齒就無(wú)法形成。

二氧化硅不僅在生物學(xué)中起著(zhù)重要的作用，而且在人類(lèi)的文明發(fā)展中也起著(zhù)及其重要的作用。弗林特是一種在古代工具中廣泛使用的二氧化硅。陶器中使用的沙子也是二氧化硅的一種形式。兩千年前的羅馬水泥含有來(lái)自火山灰的無(wú)定形二氧化硅，這種無(wú)定形二氧化硅可以大大提高其強度和耐久性。如果沒(méi)有用于制造我們煉油廠(chǎng)催化劑的二氧化硅、沒(méi)有用于粘結鑄造模具的二氧化硅、沒(méi)有形成現代玻璃和陶瓷的二氧化硅、沒(méi)有用于CMP拋光電子材料的二氧化硅，目前的人類(lèi)文明將會(huì )無(wú)法想象。

總結：氧化硅是二氧化硅的另一個(gè)名稱(chēng)，化學(xué)式為SiO2。它可以在自然界中以晶體形式（如石英砂）存在，是地殼中最豐富的組成部分；另一方面，它也可以被人工生產(chǎn)制造出來(lái)，以無(wú)定形二氧化硅形式存在，例如：二氧化硅凝膠、沉淀二氧化硅、氣相二氧化硅和膠體二氧化硅（硅溶膠）。

2. 簡(jiǎn)單介紹一下什么是"膠體"

膠體是一種穩定的粒子分散體：粒子足夠小，重力不會(huì )使它們沉降，但又足夠大，大到他們不能透過(guò)膜，但是其他分子和離子卻可以自由通過(guò)。這種顆粒的粒徑范圍大約在1-100nm。

3. 硅溶膠相關(guān)知識

3.1 硅溶膠與氣相氧化硅、熔融或沉淀氧化硅不同：

硅溶膠與其他類(lèi)型的二氧化硅最明顯的區別是，硅溶膠是以液態(tài)形式存在而不是粉末狀。此外，它具有比較寬泛的表面積，其聚合體大小可以與原生粒子的一般大小。

3.2 硅溶膠也不是水玻璃

硅溶膠是由致密的SiO2無(wú)定形顆粒組成。這些顆粒的組成部分是隨機分布的[SiO4] -四面體。 這種隨機分布使得無(wú)定形二氧化硅與晶體二氧化硅不同（分子級有序）。 水玻璃是pH=12-13之間的堿性溶液，而硅溶膠的pH值一般為9-11（新創(chuàng )納公司可以通過(guò)硅溶膠改性調節其pH至酸性或中性）。水玻璃的成分SiO2/Na2O比率大約為3.4 ，而硅溶膠的SiO2/Na2O比率通常大于50。 最后，水玻璃的粘度要高得多，而硅溶膠的粘度接比水的粘度略大。

3.3 硅溶膠的應用

硅溶膠在很多地方都有應用：可以用來(lái)增強無(wú)機水性涂料的性能，同時(shí)也可以用作水泥固化劑來(lái)提高水泥耐久性和強度，還可以用在催化劑載體、CMP拋光液材料、防火玻璃材料、精密鑄造行業(yè)等。如何選擇合適的硅溶膠是一項挑戰，包括如何選擇硅溶膠顆粒的形態(tài)（球型、非球型、蠕蟲(chóng)型等）、粒徑和表面離子種類(lèi)等。

硅溶膠是一種顆粒分散的流體，粘度較低，粒徑大小從4nm-150nm不等。

這些粒子的形狀可以是球形的或非球型的，根據制備方法的不同，它們可以在較窄或較寬的粒徑范圍存在。

硅溶膠中分散的氧化硅最大固含量基于平均顆粒大小是有上限的。平均粒徑較小的硅溶膠具有較大的比表面積；相反，平均粒徑較大的硅溶膠具有較低的比表面積，但是濃度可以做到更高。

硅溶膠的外觀(guān)由膠體氧化硅的顆粒大小和濃度決定。在同樣濃度下，小粒徑的硅溶膠(< 10nm)更加清澈，中等粒徑的硅溶膠(10-50nm)開(kāi)始呈現不透明的外觀(guān)，大粒徑硅溶膠（50nm-150nm)通常呈現乳白色。

一般情況下硅溶膠穩定的pH范圍在8-10，在其制備過(guò)程中通常用堿（通常為NaOH氫氧化鈉、KOH氫氧化鉀）或NH3H2O氨水做穩定劑。在這些穩定劑作用下，氧化硅粒子被帶負電荷?？赏ㄟ^(guò)添加過(guò)量的電解質(zhì)（鈉、鈣、氯化物、鋰、鉀）破壞膠體氧化硅的穩定性。通過(guò)將鋁參入氧化硅顆粒的表面層形成鋁硅酸鹽位點(diǎn)，可以得到另一種形式的陰離子電荷穩定性膠體。

通過(guò)鋁改性可以制備低pH值的酸性硅溶膠。將陽(yáng)離子氧化鋁吸附到氧化硅顆粒表面，得到pH<4的穩定的陽(yáng)離子顆粒。通過(guò)對其完全去離子化，在無(wú)需穩定劑的條件下也能制備出pH<3的穩定膠體氧化硅。

此外，還可以通過(guò)硅烷表面改性來(lái)提高硅溶膠的穩定性。 硅醇基團可為隔離的硅醇基團，甚至為硅烷二醇基團（硅烷二醇基團）或鄰苯二甲酸基團。這些硅烷不僅能為其他化學(xué)品的接枝提供反應性位點(diǎn)，還能物理防止硅氧烷橋的形成，從而形成聚集體或凝膠結構，提高穩定性。

4. 表面改性硅溶膠，酸性硅溶膠，中性硅溶膠

膠體二氧化硅表面主要是由Si-O-H羥基構成，除了羥基，其表面還有很多其它的基團，主要包括：硅烷二醇-Si-(OH)2 ；硅烷醇-Si(OH)3 ；表面硅氧烷-Si-O-Si-O-；和表面鍵合的水H2O。在堿性條件下它們產(chǎn)生陰離子表面電荷，這些帶電荷的顆粒再由諸如鈉、鉀或銨之類(lèi)的陽(yáng)離子來(lái)穩定。

將鋁引入到顆粒表面形成-Al-OH-基團，可進(jìn)一步穩定陽(yáng)離子膠體硅酸鹽。即使在pH=3的酸性條件下，也會(huì )形成非常高的負電荷表面，從而大大提高膠體氧化硅的穩定性！

對于表面Al2O3修飾的陽(yáng)離子硅溶膠，其表面電荷轉為正電荷，這時(shí)通常用氯離子來(lái)平衡其表面電荷。這些溶膠僅在pH<4時(shí)才穩定。

采用硅烷表面改性可降低粒子表面電荷，實(shí)現pH=2-11，酸性、中性、堿性硅溶膠穩定性全覆蓋。

總結：硅膠的粒徑和pH值之間的差別最大。 粒徑大小通常用比表面積來(lái)測定，比表面積越大，平均粒徑越小。平均粒徑也會(huì )影響SiO2含量（小粒徑硅溶膠最高濃度相對低，一般為20-30%，大粒徑硅溶膠可以做到55%的較高濃度）。常規硅溶膠是陰離子型的，一般用鈉、鉀或銨做穩定劑，pH=9-11。通過(guò)鋁改性，可以制備出pH3-4的酸性硅溶膠，進(jìn)一步去離子化可制備出低pH=2-3的酸性硅溶膠。