浅谈硅胶的类型结构、性能特点及其应用

邓桂芳

(广东省江门粤会化工材料公司,江门 529100)

浅谈硅胶的类型结构、性能特点及其应用

邓桂芳

(广东省江门粤会化工材料公司,江门 529100)

摘要:在涂料工业中，硅胶是最重要的无机消光剂。硅胶层析技术在中药化学中的应用越来越广泛。现在，硅胶的应用技术已经渗透到各行各业。分别介绍了基础硅胶，微粉硅胶，功能化硅胶的组织结构、功用原理及其特点，同时分别阐述了硅胶在工业生产中的典型应用，硅胶在涂料工业中的典型应用，硅胶在其他行业中的典型应用。

关键词:硅胶类型;组织结构;性能特点;典型应用

硅胶起初主要应用于军事工业，第二次世界大战之后，应用范围逐步扩大。硅胶用作干燥剂在国内外已经非常普遍，随着专业化分工进程的加快，在石油化工、医药、食品、生物化学、环保、涂料、轻纺、造纸、油墨、塑料等工业领域应用的质量和水平迈上了新的台阶。用于食品、医药和生物化学的硅胶主要是微粉硅胶，在国外已具有较大的生产规模。代表性产品有用于食用油精制的Trisyl产品，用于酿造澄清的Daraclar产品以及SCM公司的Silcron产品和格雷斯公司的Syloid，Sylox产品等。在涂料工业中，硅胶是最重要的无机消光剂。硅胶层析技术在中药化学中的应用越来越广泛。现在，硅胶的应用技术已经渗透到各行各业，有些业已成熟，有些正在深入，其中工业领域的应用最为广泛，农业、第三产业和信息产业的应用近年来发展也非常迅速而广受关注。

1基础硅胶

硅胶是硅橡胶的一种，属于单组分室温硫化的液体橡胶。近年来，硅胶技术呈现出明显的专业化分工发展趋势，以0.5～0.8mm粒子径为主的基础硅胶在我国发展迅猛，以1～15μm粒子径为主的微粉硅胶在欧美和日韩获得长足进步。基础硅胶和微粉硅胶在形态和性能上的差异，成为多样化应用发展的直接动力。虽然我国企业积极开展技术研发，但研发投入均低于销售额的3%，而以美国为代表的发达国家一般达到5%以上，甚至更高，如果换算成绝对值，差距十分明显。

基础硅胶除了传统的干燥剂应用之外，在石油化工等重点领域也有良好的表现，还拓展到了一些新兴领域，所以目前基础硅胶的技术研发是我国企业的重点，技术水平与国外公司相比毫不逊色。在国外发达国家广泛应用于石油化工、橡胶、医药、有机材料、冶炼、家电、服装，尤其在家庭中使用已成为一种不可缺少的日常用品。由于硅胶的生产原料泡花碱、硫酸的生产属高耗能、低效益产品项目，受到资源、能源、劳动力、环保和国家政策等方面的制约，其生产规模逐年下降，以致使很多厂家停产，从而限制了这些国家的硅胶生产。因此这些发达国家更倾向于大量进口硅胶来满足国内的需求，这样就给中国的硅胶生产厂家提供了一个非常好的国际市场环境。导致近年来基础硅胶出口量持续增加，外商购入我国基础硅胶，一部分直接应用，一部分加工成微粉硅胶。出口增长使国外公司对我国基础硅胶的依赖性增强，进一步提高了专业化分工的程度。

2微粉硅胶

微粉硅胶的分子式为：mSiO2-nH2O。它是一种白色粉末状的无机化工产品，属精细化工类高技术产品。微粉硅胶的化学成份为SiO2，粒子超微细化，化学纯度高；无定形的X射线结构，在大多数液相介质中透明；吸水量达自重40%的仍能保持粉末状态，在非极性和低极性的介质中仍能有效地稠化；耐高温，导热率为0.002千卡/米·小时·度(℃)，电导率极低，实际上为电绝缘体。它的理化特性为：无毒、无味、不燃、不爆、不挥发、无腐蚀、孔容大、表面活性强。化学性质稳定，不与酸、碱作用(氢氟酸除外)，不溶于水。

微粉硅胶是一个为优良的辅料。目前有两种，一种为气相法微粉硅胶(微粉硅胶A380、轻质微分硅胶)和微分硅胶(重质微粉硅胶)，轻质的质量较好，且国产和进口的质量区别较大，进口微粉硅胶隐隐有蓝色。进口的助流效果远远好于国产的，行装为轻质白色或乳白色无水粉末，无臭无味、比表面积大，具有极强的吸附作用。主要用作助流剂、润滑剂、抗粘剂、崩解剂、填充剂等。微粉硅胶用作热固性粉末涂料的抗结剂和疏松剂及特殊粉末助剂；用作表面深层的消光助剂(平光助剂)，广泛用于涂料，家具油漆及人造革涂饰剂中(用量一般为3%～5%)；广泛用作聚丙烯、聚乙烯、无毒聚氯乙烯等薄膜的开口剂；合成润滑脂和硅脂稠化剂；新闻纸轻量化助剂；电子电气业绝缘绝热填料；用作润滑剂(医药行业中作为辅料，改善颗粒流动性)；化学实验中常用来分离或鉴定有机混合物。

微粉硅胶是目前发达国家用作药品制剂的一种新型辅料，是一种高纯度、流动性很好的白色粉末，在片剂制作过程中是极好的流动促进剂，可以极大地改善颗粒流动性，提高松密度，使制得的片剂硬度增加崩解时限缩短，从而提高药物溶出速度。由于大多数中成药的浸膏有潮湿、吸湿的特性，而微粉硅胶具有吸附水分、促进流动的特性，非常适合中药企业使用。与传统的药用辅料如糊精、淀粉、硬脂酸镁等相比，微粉硅胶具有以下显著优点：单一无机化合物化学、物理性能稳定不会与药品制剂中的主要成分起反应可确保药物疗效；具有很好的吸水性可使药品的崩解时限缩短而不影响制剂的赋形；不含淀粉、蛋白质制剂不会霉变而导致药物失效；在药品制剂分析时能单独分离对常规容量分析、可见紫外光分光光度及色谱分析甚至离子谱分析均不产生干扰，影响分析的准确性；在药物体内代谢过程中以原形排出，不被代谢吸收，保证了药物不良反应降至最低。 微粉硅胶一般作助流剂用量在0.15%～3%，即使含有大量的水分，也不能改变他的性状。分散片广泛采用微粉硅胶作为助流剂，不使用硬脂酸镁，可在制粒压片或粉末直接压片中有效地改善颗粒或粉末的流动性，同时硅胶表面的硅醇基吸附药物后能显著提高难溶性药物的崩解与溶出速而；在油类和浸膏类药物中应用也很广泛。特别适宜油类、浸膏类药物的制粒，制成的颗粒具有很好的流动性和可压性；崩解剂用量在1%以上是可加速崩解，由于其堆密度小，用在胶囊剂中迅速散出，加速崩解；做填充剂根据原料性质确定；另外，本品有沙砾感，在咀嚼片中尽量不要用。实际运用时，在胶囊剂中作填充剂，效果也很好。作抗粘剂可用到过8%，效果不错，用量高时脱盖，所以比例要根据品种来摸索；有人为防止粘冲做了一个处方，发现采用1%的微粉硅胶和1%的硬脂酸镁混合使用，抗粘冲的效果比单用2%的硬脂酸镁要好。

微粉硅胶在制药行业中作为润滑剂和助流剂。润滑剂可减少冲模的摩擦增加颗粒的滑动性使其填充良好片剂密度分布均匀也保证了推出片剂的完整性。助流剂减少了颗粒间的摩擦力增加了流动性可满足高速转动的压片机所需迅速、均匀填充的要求也能保证片重差异符合要求。此外微粉硅胶还可作为抗结剂、消泡剂、澄清剂、助滤剂和载体。

近年来欧美、日韩企业把发展的重点由基础硅胶转向微粉硅胶，一是微粉硅胶资源消耗少,对环境影响小;二是附加值高;三是技术先进，易于保密，占领高端，有助于提高企业核心竞争力。这些国家的企业在技术上处于世界领先水平，专业优势十分明显。对于微粉硅胶生产，我国企业也做出了努力,但无论资金投入还是技术水平与工业发达国家都有较大差距。

3功能化硅胶

近年来功能化硅胶将其产品赋予特定的功能，量体裁衣，为客户订制所需的产品是今后的发展方向。具有吸水功能的硅胶薄膜，具有变压吸附功能的变压吸附专用硅胶，具有遇液不裂功能的耐水硅胶和硅铝胶，具有澄清功能的啤酒硅胶，还有载体硅胶、精制硅胶、消光硅胶、防结硅胶、磨料硅胶、涂层硅胶等，这些功能化硅胶是新技术的体现，它们特点突出，性能优异，应用范围确定，为采购方节约了费用，提高了工作效率，因此受到普遍欢迎。

功能化硅胶的应用领域广泛，大孔硅胶一般用作催化剂载体、消光剂、牙膏磨料等。因此应根据不同的用途选择不同的品种。硅胶可以用来作干燥剂，而且可以重复使用。硅胶是由硅酸凝胶mSiO2·nH2O适当脱水而成的颗粒大小不同的多孔物质，具有开放的多孔结构，比表面(单位质量的表面积)很大，能吸附许多物质，是一种很好的干燥剂、吸附剂和催化剂载体。硅胶的吸附作用主要是物理吸附，可以再生和反复使用。在碱金属硅酸盐(如硅酸钠)溶液中加酸，使之酸化，再加入一定量的电解质进行搅拌，即生成硅酸凝胶；或者在较浓的硅酸钠溶液中加酸或铵盐也能生成硅酸凝胶。将硅酸凝胶静置几小时使之老化，然后用热水洗去可溶性盐类,在60～70℃下烘干并在约300℃时活化，即可得硅胶。将硅酸凝胶用氯化钴溶液浸泡后再烘干和活化，可得变色硅胶。用它作干燥剂时吸水前是蓝色，吸水后变红色，从颜色的变化可以看出吸水程度，以及是否需要再生处理。硅胶还广泛用于蒸气的回收、石油的精炼和催化剂的制备等方面无机硅胶作为干燥剂来使用，可具体到以下几个方面：主要用于仪器、仪表、设备等在密闭条件下的吸潮防锈；与普通硅胶干燥剂配合使用，指示干燥剂的吸潮程度和判断环境的相对湿度。作为包装用硅胶干燥剂，广泛用于精密仪器、皮革、服装、食品、药品和家用电器等；硅胶因为其食品级用途可以用来做婴儿奶嘴等与人体直接接触的用品，另外，硅胶也可用来生产避孕套。

硅胶吸附有机杂质后的再生：焙烧法对于粗孔硅胶,可放在焙烧炉内逐渐升温至500～600℃,约经6～8h至硅胶胶粒呈白色或黄褐色即可。对细孔硅胶,焙烧温度不能超过200℃。

硅胶吸水后的再生：硅胶吸附水份后，可通过热脱附方式将水份除去，加热的方式有多种，如电热炉、烟道余热加热及热风干燥等。脱附加热的温度控制在120～180℃为宜，对于蓝胶指示剂、变色硅胶、DL型蓝色硅胶则控制在100～120℃为宜。各种工业硅胶再生时的最高温度不应超过以下限度：粗孔硅胶不得高于600℃；细孔硅胶不得高于200℃；蓝胶指标剂(或变色硅胶)不得高于120℃；硅铝胶不得高于350℃。再生后的硅胶，其水份一般控制在2%以下即可重新投入使用。

漂洗法将硅胶在饱和水蒸汽中吸附达到饱和后放热水中浸泡漂洗，并可结合使用洗涤剂以除去废油或其它有机杂质，再经净水洗涤后烘干脱水。溶剂冲洗法根据硅胶吸附有机物种类，选用适当的溶剂将吸附在硅胶内的有机物溶出，然后将硅胶加热以脱除溶剂。

硅胶再生注意要点：烘干再生时应注意掌握逐渐提高温度，以免剧烈干燥引起胶粒炸裂，降低回收率；对硅胶焙烧再生时，温度过高会引起硅胶孔结构的变化而明显降低其吸附效果，影响使用价值。对于蓝胶指示剂或变色硅胶，脱附再生的温度应不超过120℃，否则会因显色剂逐步氧化而失去显色作用；经再生后的硅胶一般应过筛除去微细颗粒，以使颗粒均匀。

4硅胶在工业生产中的典型应用

硅橡胶容易流动，因而可以在能耗较低的情况下模压、压延、挤出。硅橡胶特别容易加工制造，容易加工也就意味着生产效率高。硅胶条顾名思义是由硅橡胶生产而成。主要应用于汽车、机械、门窗等领域，起到防尘、防虫、防水、固定、隔音、减震、密封等作用。

硅胶条的特性：产品无毒、环保,优越的抗老化、耐高低温及耐化学药药品性性能,具有良好的弹性和抗压缩变形性,长期使用不会龟裂或变形,在-50～300℃之间都能维持其原有的高密封性能,已被汽车，门窗、机械、电子、电气机柜等制造业广泛应用。对不同形状,不同材质,或耐寒、耐热、发泡以及具有特殊性能等要求的产品,均能满足设计和使用的需要。

硅胶条的典型应用：应用于塑钢门窗、铝合金门窗、木门窗等建筑装饰门窗，主要作用为防尘、防虫、防水、隔音、密封等；应用在车门门扇门框、侧面车窗、前后档风玻璃、发动机盖和行李箱盖上，起到防水、防尘、隔音、隔温、减震、装饰的作用；应用于电气柜密封，其具有密封性好，防水，防火、防虫、防风、隔光、防撞以及使用年限长等特点。

硅胶条能耐高温和低温、耐辐射、耐真空、无污染、无毒，主要用于各种密封舱的密封。聚氨酯密封圈的超低温性能良好，主要用于火箭推进圈液氢、液氧的连接缝。飞机的座舱、窗门、仪表舱、炮弹舱、引射器、电插头、电子元件和电磁铁的灌封也都使用密封圈。

航空航天工业中使用的密封材料主要有：聚硫橡胶、硅橡胶和聚氨酯密封圈。聚硫橡胶密封圈具有优异的耐航空燃料性能，主要用于机翼和机身整体油箱的密封。航空航天工业还要求密封材料能适应一些特殊的环境要求，如耐真空、耐辐射、无污染、无毒、耐高低温和耐航空燃料和火箭推进圈等介质的腐蚀。

硅胶工业的发展史很短，上个世纪初，西方化学家在实验室中发现了该物质，在第二次世界大战期间，美、苏、德等国家为了发展原子弹研制了硅胶产品，经过几十年的发展才形成了硅胶工业这一行业。在国民经济发展过程中具有重要的战略意义。但是长期以来，中国的硅胶产业科技含量低、基础薄弱、技术落后，在国际竞争中处于不利地位，以至于一些高档硅胶产品全部依赖进口。目前，国际市场上工业硅胶资源供应紧张，而中国工业硅胶资源成本相对为全球最低，加之中国对高效层析硅胶需求的平均增长率多年来一直保持在25%以上，是全球需求增长最快的区域。国家石油和化工行业十二五发展规划指出：据资源特点、技术状况和市场需求，我国的石油和化学工业在“十二五”期间将重点发展石油天然气开采、炼油、乙烯和合成材料、化肥、农药、化工新材料以及精细化工产品的生产。

5硅胶在涂料工业中的典型应用

在涂料工业中硅胶是最重要的无机消光剂,国内硅胶消光剂的产量已有1000t。消光机理是硅胶微粒在涂层中呈不规则排列状态,光线穿过涂层受到这些不规则颗粒的阻隔,形成光线散射。需要注意的是硅胶必须与涂料有极好的配伍性，通常用高分子蜡等有机涂覆物进行表面处理以使之容易分散,不影响涂料的固有性能,同时改进涂膜的抗划伤性能。尽管硅胶微粒径稍大一些，散射效果更好，但是粒径过大却会削弱涂料的抗磨擦性能，因此粒径一般在25μm以下。常用的微粉硅胶粒径在3～5μm,折光指数1.4～1.6。为进一步提高硅胶的再分散性，天津大学用丙烯酸酯处理法开发了复合硅胶，欧洲专利也有报道用活性液体硅氧烷处理法制备复合硅胶，用于涂料的消光处理，可以大大提高涂层的物理性能和再分散性。

从硅石获得消光剂的方法很多，根据其制造工艺主要可以分为两类。一类是热液法制造，生产的二氧化硅形态相对较为松软。用硅胶制造的产品质地则较硬。经过处理后的两类产品均可制成标准的二氧化硅消光剂。处理过程是指使用有机(石蜡)或无机材料对二氧化硅表面进行一定程度的改性。与硅胶消光剂相比，处理过的二氧化硅拥有不同的粒径、粒径分布和孔隙体积。热液法消光剂在粒径和分布方面也不同。未处理与处理过的产品也有所不同。目前只有一种消光剂适应于特殊场合，该消光剂采用热解法制造，拥有很强的消光效率，且特别适用于水基涂料体系。二氧化硅的消光效果相对较强，浓度较高时可能导致粘度升高。储存过程中有沉淀的趋势，特别是未经处理的二氧化硅。为了避免积聚，我们可以使用石蜡或热解法二氧化硅。该消光剂能够调节45°,60°和85°方位的消光度。添加了二氧化硅消光剂的涂料可以进行罩涂。除了在粉末涂料系统中，二氧化硅消光剂可应用于所有的涂料。

二氧化硅消光剂具备以下特点：易于分散；消光性能好，低加入量就可以产生强消光性能；对涂膜的透明性干扰小；对涂膜的力学性能和化学性能影响小；在液体涂料中悬浮性好，能长时间贮存，不会产生硬沉淀；对涂料流变性影响小；化学惰性高。

二氧化硅消光剂具备以上特点因而在涂料中用量最多。它化学纯度高，不溶于水、各种有机溶剂和一般的酸、碱，只与浓碱和氢氟酸反应，化学惰性高。其折射率为1.46，与各种涂料用树脂的折射率1.4～1.5接近，因而透明性好。用蜡处理的二氧化硅消光剂在贮存过程中不会在溶剂型涂料中产生硬沉淀。由于是多孔性物质，低加入量就可以产生强消光性。

6硅胶在其他行业中的典型应用

硅胶以层析技术在中药化学中的应用越来越广泛。硅胶是常用的吸附剂，其吸附作用的强弱与硅醇基的含量有关，同时要注意活化温度不能过高。随着层析理论和电子学、光学、计算机等技术的应用，硅胶层析技术已日趋完善,这对于中药各类化学成分的分离鉴定工作起了重大的推动作用，有利于我国中药产业的技术创新和国际化，改进国际形象。层析硅胶属高附加值产品，目前我国年产量约1200t，其中出口量不足10%，但经济效益显著，宜继续拓展国外市场。

在农业上的应用也越来越广泛。用于土壤保湿，改善农作物生长环境，用于农用防护膜，提高防护膜的耐老化性，也用作农药载体。由于载持量的需要，一般使用孔容较大、粒子强度较高的硅胶。除此之外，硅胶也用作饲料添加剂，可以防粘、防霉，不影响饲料的风味和营养成分。

硅胶应用于第三产业，例如运输过程的干燥已经很普通。经营鲜花的公司用硅胶干燥鲜花，可以保色耐久，还可以根据场景造型，增添喜庆气氛，很受家庭主妇的欢迎。用硅胶做宠物垫料，具有吸水、吸味、无粘连、易于清理、视觉美观等诸多优点，在欧美和日本大行其道。此种用途的硅胶是国内硅胶出口量最大的品种，年出口量超过3万t。

由于硅胶垫片的种类很多且针对不同场合不同部位，必须要选择相应的合适的硅胶垫片。任何一种类型的硅胶垫片，在恶劣的使用环境中，要保证长时间的有效密封，都必须具备以下重要特性：所选用的垫片应保证在系统的最低温度和最高温度下正常使用；对于密封系统的介质，硅胶垫片在推荐的温度和压力工作一定时间内不发生泄露。硅胶垫片在气密性上的表现显得比较出色；垫片在压力负荷和使用温度的影响下，抗蠕变性应较好，否则回造成螺栓扭距损失，导致垫片的表面应力减小，从而硬气系统泄露；即使在系统稳定的状况下，相连接的两个法兰由于温度和压力的影响肯定会存在微小位移，垫片的弹性功能应能弥补此位移，以保证系统的密封性；垫片在使用后应能方便的从法兰上拆除，不粘接；垫片应对连接的法兰表面无腐蚀性；垫片和法兰的接触面在连接螺栓紧固后，应能很好吻合，以保证密封；所选用的垫片应不受化学介质的腐蚀，而且不能污染介质。

把硅胶制成鞋垫以除湿消臭，在日韩很有市场。日本工业技术院和芝浦工业大学研制成功具有吸水功能的硅胶薄膜，可以贴在室内或汽车的窗玻璃表面，湿度增大时，自然吸收水分，防止玻璃变得模糊朦胧。把硅胶添加到方便食品、粉末食品或动物食品中，就可以免受粘结的烦恼。

在信息产业中的应用：在电讯行业，用含硅胶的干燥装置保护地下电缆，可有效防止接头漏电。荷兰卡贝尔公司用硅胶保护海底电缆。格雷斯公司以微粉硅胶为基体制成硅片抛光剂，可以满足半导体硅片抛光对柔软性的极高要求，效果很好。Sylojet产品与传统的喷墨系统共同使用，可提高打印分辨率，使全色打印图案更为逼真。韩国新星硅酸盐有限公司把硅胶制成热敏纸、喷墨打印纸、光敏纸、静电记录纸的处理助剂产品。全球这方面的应用仅有几十吨，但技术领先、价格惊人，是我国企业技术进步的重要努力方向之一。

7结束语

现在，硅胶的应用技术已经渗透到各行各业，有些业已成熟，有些正在深入。随着消费量的跨越式增长，硅胶产业已经开始由高性能特种橡胶转变为大宗合成橡胶，成为用量最大的橡胶品种之一。随着硅胶在部分细分领域取代其它胶种，其消费量必将成倍增长，市场空间会进一步打开。

Introduction to Type Structure, Characteristics and Applications of Silica Gel

Deng guifang

(Chemical Materials, Jiangmen, Guangdong Province,Jiangmen 529100)

Abstract:In the paint industry, silicon is the most important inorganic matting agent. Silica gel chromatography technology has been widely used in the application of traditional Chinese medicine (TCM) chemical. Now, the application of silicone technology has penetrated into all walks of life. Are introduced based on silica gel, micro powder, silica gel, the functional organization structure, function principle and characteristics of silica gel, respectively, at the same time elaborated the typical application of silica in industrial production, the typical application of silicone in coatings industry, the typical applications of silica gel in other industry.

Keywords:silica gel type; organization structure; characteristics; typical applications

doi:10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2015.03.010

作者简介：邓桂芳(1955~),女,本科，工程师.从事化工材料研究工作.