硅微粉法制备液体硅酸锂

岑泽辉 刘艳春

（广州市红日燃具有限公司，广州510430）

1 引言

硅酸锂，是水溶性硅酸盐的一种。由于锂离子半径比钠、钾离子半径小得多，因而硅酸锂水溶液具有一些独特的性能。硅酸锂的水溶液具有优良的耐水、耐高温和干湿变化冲击性能及独有的自干性和不可再溶性，在防腐、建筑涂料和高级粘合剂方面有着广泛的用途［1～3］。但是，目前硅酸锂溶液价格昂贵，开发高质量、低成本的液体硅酸锂材料有着诱人的应用前景，同时也可以为硅酸锂粉体的制备提供相关参考。本实验以硅微粉、锂化合物为基础原料进行实验方案设计，考察不同的原料比例及用量、添加剂的用量、溶液浓度和热处理温度等对合成液体硅酸锂的影响，通过实验优化，确定最佳工艺条件。

2 实验部分

2.1 实验仪器及试剂

实验仪器及试剂见表1。

表1 实验所需的化学试剂及实验设备

2.2 实验步骤

本实验用硅粉与水反应生成硅酸，然后利用硅酸和一水氢氧化锂反应生成硅酸锂水溶液。

2.3 硅酸制备

2.3.1 反应时间的影响

取50ml去离子水于100ml的烧杯中，在烧杯中加入7g硅粉，在80℃中预处理20min，使硅粉活化，然后加入0.027g一水氢氧化锂作为催化剂，反应后冷却到50℃以下，对产品进行抽滤，获得硅酸溶液。取出7只坩埚，分别编号为1-7，分别称量各坩埚质量，将溶液放于坩埚中，用电炉进行灼烧，直到质量无变化时，冷却到室温称取质量，获得SiO2的质量，从而确定硅酸溶液中SiO2的浓度和硅粉的转换率，获得最佳的工艺参数。实验结果如表2所示。

表2 反应时间对产品性能的影响

实验结果表明，随着反应的进行，SiO2粒子不断变大，不利于后面硅酸锂溶液的形成。并且从节能和降低产品成本考虑，选取的最佳反应时间为1.5h。

2.3.2 硅粉用量的影响

取50ml去离子水于100ml的烧杯中，在烧杯中加入硅粉，在80℃中预处理20min，使硅粉活化，然后加入0.027g一水氢氧化锂作为催化剂，反应后冷却到50℃以下，对产品进行抽滤，获得硅酸溶液。取出8只坩埚，分别编号为1-8，分别称量各坩埚质量，将溶液放于坩埚中，用电炉进行灼烧，直到质量无变化时，冷却到室温，称取质量，获得SiO2的质量，从而确定硅酸溶液中SiO2的浓度和硅粉的转换率，获得最佳的工艺参数。实验结果如表3所示。

表3 硅粉用量对产品性能的影响

实验结果表明，随着硅粉的增加，有更多的硅粉与水反应生成硅酸。但是，随着硅粉的继续增加，使得溶液中硅粉密度过大，溶液减少，反而阻碍了硅粉的进一步反应，并且溶液减少后，生成的硅酸容易进一步与硅粉胶合在玻璃壁上结疤。综合考虑选取的最佳的硅粉用量为8g。

2.3.3 反应温度的影响

取50ml去离子水于100ml的烧杯中，在烧杯中加入8g硅粉，在80℃中预处理20min，使硅粉活化，然后加入0.027g一水氢氧化锂作为催化剂，反应后冷却到50℃以下，对产品进行抽滤，获得硅酸溶液。取出4只坩埚，分别编号为1-4，分别称量各坩埚质量，将溶液放于坩埚中，用电炉进行灼烧，直到质量无变化时，冷却到室温，称取质量，获得SiO2的质量，从而确定硅酸溶液中SiO2的浓度和硅粉的转换率，获得最佳的工艺参数。实验结果如表4所示。

表4 反应温度对产品性能的影响

实验结果表明，随着反应温度的升高，溶液中SiO2浓度不断升高，溶液中的SiO2含量先增加，然后在80℃后迅速下降。反应温度在70℃以下时，反应较为缓慢，在杯壁上结疤较少。但是，反应温度在90℃以上时，反应十分剧烈且难以控制，并且反应过程中会在杯壁上产生大量结疤，特别难以清理，由于反应温度过高，使得溶液蒸发较快，溶液含量不断减少，生成的产物容易进一步和硅粉等发生胶联，不利于产物的获得。因此选取的最佳反应温度为80℃。

2.3.4 催化剂用量的影响

取50ml去离子水于100ml的烧杯中，在烧杯中加入8g硅粉，在80℃中预处理20min，使硅粉活化，然后加入一水氢氧化锂作为催化剂，反应后冷却到50℃以下，对产品进行抽滤，获得硅酸溶液。取出5只坩埚，分别编号为1-5，分别称量各坩埚质量，将溶液放于坩埚中，用电炉进行灼烧，直到质量无变化时，冷却到室温称取质量，获得SiO2的质量，从而确定硅酸溶液中SiO2的浓度和硅粉的转换率，获得最佳的工艺参数。实验结果如表5所示。

表5 催化剂用量对产品性能的影响

实验结果表明，随着催化剂的加入，溶液中SiO2的含量迅速增加，当用量达到0.04g时，SiO2的含量增加缓慢，证明催化剂的催化效果达到最大值。催化剂用量在0.02g以下时，反应较为缓慢，随着催化剂的继续加入，反应越来越剧烈。但是当催化剂在0.04g时，催化剂的催化效果差不多到达最大值，随着催化剂的继续加入，催化效果增长缓慢。并且催化剂的加入量对后期硅酸锂制备的pH值有影响，因此取最佳催化剂量为0.04g。

2.4 硅酸锂的制备

在制备硅酸锂溶液时，硅酸溶液中的SiO2粒径不能过大，应该控制在5微米以下，不然在反应过程中会引起胶化，而且不能制成透明的硅酸锂水溶液［4］。在硅酸水溶液和氢氧化锂反应时，应该先将氢氧化锂粉末溶解在少量的水中，然后再与硅酸溶液反应。反应时将硅酸溶液和氢氧化锂在50℃～90℃下反应0.5h～3h，即可得到透明而稳定的硅酸锂水溶液。制得的硅酸锂水溶液在50℃～90℃下蒸发浓缩，便可得到SiO2含量10～25%浓度的硅酸锂水溶液。该方法制得的硅酸锂水溶液，由于其中的二氧化硅粒子较小，因此清澈透明，而且长期贮存稳定性好。

2.4.1 反应温度的影响

将一水氢氧化锂加入到硅酸溶液中，分别在60℃、70℃、80℃下反应1h，实验结果如表6所示。

表6 反应温度对产品性能的影响

通过上述实验结果表明，分别在60℃、70℃、80℃下反应1h后，产品的成膜性能都很好且不易脱落。但反应在80℃下进行时，在杯壁上产生大量结疤且不易清洗；在70℃下反应时，在杯壁上有少量结疤；在60℃下反应时杯壁上无结疤，且产品的各种性能也较为优异。因此最佳反应温度为60℃。

2.4.2 反应时间的影响

将一水氢氧化锂加入到硅酸溶液中，在80℃下边搅拌边反应，分别在15min、30min、45min、60min、75min、90min、105min、120min八个水平反应时间下进行反应，如表7所示。

表7 反应时间对产品性能的影响

实验结果表明，溶液在反应不足15min时，成膜性能较差，容易刮落。在反应90min以上时，开始在杯壁上形成少量结疤。溶液在反应30min至60min性能较好，从稳定性和经济性考虑，取60min为最佳反应时间。

2.4.3 溶液的蒸发浓缩

将反应后的硅酸锂溶液进行减压蒸发浓缩，在蒸发浓缩时应该控制好温度。温度过低，蒸发浓缩耗时较长；温度过高，溶液容易结疤并且有沉淀生成。将硅酸溶液中加入一水氢氧化锂，在温度为60℃下反应1h后，将溶液分别在50℃、60℃、70℃、80℃、90℃下进行蒸发浓缩，观察温度对蒸发浓缩的影响。如表8所示。

表8 反应温度对蒸发浓缩的影响

根据上述实验数据可以看出，当溶液温度高于70℃时溶液开始慢慢形成结疤和沉淀，不利于产品的质量和工业生产，但是温度过低需要在较低负压下进行，对设备要求较高，因此我们选取的最佳蒸发浓缩温度为60℃。

3 实验表征

将20g SiO2含量为1.765%的硅酸溶液中加入0.108g一水氢氧化锂，在温度为60℃下反应1h后，将硅酸锂溶液涂在玻璃片上，观察其成膜情况。

该配比硅酸锂溶液的成膜光滑平整，基本上无缺陷，因此获得成膜性能较好的硅酸锂溶液。将制备的硅酸锂溶液在800℃下热处理2h，测得的XRD谱图如图1所示。由图1可以看出，最终产物中只有二氧化硅和硅酸锂两种物质，无其它物质存在，说明最终获得的硅酸锂溶液纯度较高。

图1 硅酸锂的XR

4 结论

以硅酸粉和一水氢氧化锂为原料制备硅酸锂溶液，通过将硅粉形成的硅酸溶液中和一水氢氧化锂，在60℃下反应1h，然后在60℃下蒸发浓缩，便可以获得二氧化硅含量在20%左右的硅酸锂溶液，且该溶液具有较好的成膜性能。