本發(fā)明屬于無機(jī)材料合成
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種高模數(shù)硅酸鋰水溶液的制備方法。
背景技術(shù)：
：硅酸鋰水溶液為無色透明液體，無臭、無毒、不燃、呈堿性；遇酸易發(fā)生膠凝，受熱析出沉淀，如不過熱、不脫水，冷卻后仍能重新溶解；與其它堿金屬硅酸鹽相比，硅酸鋰水溶液具有粘度非常低，滲透性極好，與水能任意比例混合、自干、成膜后耐水性優(yōu)異、耐干濕交替性極好等優(yōu)點(diǎn)，常用作粘合劑、表面處理劑和涂料。作為高級粘合劑，主要用于粘合水泥板、混凝水預(yù)制件、石模板；作為表面處理劑，用于金屬保光、防繡，玻璃表面增加光學(xué)性能；作為涂料的基料時，可用水做溶劑，生成的涂料薄膜除具有無機(jī)涂料的耐熱、不燃、無毒等一般性能外，還具有自干、耐高溫(可達(dá)1000℃)、耐磨、耐濕、耐候、耐干濕交替、耐水性優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于海上工程、石油管道、船舶、橋梁及建筑和建筑材料等領(lǐng)域。目前，國內(nèi)外制備硅酸鋰水溶液的方法主要有干法與濕法合成兩種。干法合成工藝以碳酸鋰和硅砂(或者白炭黑)為原料，經(jīng)過配料、混料、高溫鍛燒(1400℃左右)、水淬、加壓溶解等工序制備硅酸鋰水溶液。該法主要優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單，存在的缺點(diǎn)為:能耗高、設(shè)備投入大、產(chǎn)品中雜質(zhì)含量高、模數(shù)低(≤4.0)，只能用于制備性能較差的涂料和粘結(jié)劑。濕法合成工藝主要包括以下三種方法：(1)硅溶膠—?dú)溲趸嚭铣煞ǎ涸摲ㄒ曰钚怨枘z(或硅溶膠溶液)與單水氫氧化鋰反應(yīng)制備，得到的產(chǎn)品模數(shù)為2.5～4.6，該法的主要缺點(diǎn)為：反應(yīng)時間長，產(chǎn)品中仍存在較多膠狀物質(zhì)，導(dǎo)致產(chǎn)品的粘結(jié)力較差；(2)硫酸鋰離子交換法：該法是將硫酸鋰以陽離子交換樹脂再生后，加入水玻璃合成反應(yīng)制成。該法的主要缺點(diǎn)為：模數(shù)低(2.2～2.4)，產(chǎn)品質(zhì)量差，雜質(zhì)離子含量高，且由于含有微量鈉離子，影響硅酸鋰溶液的性能，得到的涂料基料耐水性、耐候性變差。(3)活性硅酸—?dú)溲趸嚭铣煞ǎ涸摲ㄏ纫运Ａ芤簽樵?，通過陽離子交換法制得活性硅酸溶液，再與氫氧化鋰反應(yīng)得到硅酸鋰溶液，該法克服了上述兩種工藝的缺點(diǎn)，制備出具有透明性好、粘結(jié)力優(yōu)、長期貯存穩(wěn)定的硅酸鋰水溶液。但是，由于制備得到的活性硅酸濃度低(≤5％)，進(jìn)一步合成得到的硅酸鋰溶液濃度也低，要達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(SiO2％為20％)，需進(jìn)一步進(jìn)行蒸發(fā)濃縮，蒸發(fā)量大，因此該法能耗高，生產(chǎn)成本高。采用傳統(tǒng)的干法工藝無法制備高模數(shù)硅酸鋰水溶液，高模數(shù)硅酸鋰溶液目前只能采用濕法工藝制備。高模數(shù)硅酸鋰水溶液制備方法的專利報道最早出現(xiàn)在1954年，該專利提出了一種制備高模數(shù)水溶性硅酸鋰的方法。該方法是將氫氧化鈉(或氫氧化鉀)穩(wěn)定的硅溶膠經(jīng)過離子樹脂處理，除去鈉、鉀離子和其它水溶性雜質(zhì)；然后加入氫氧化鋰溶液，經(jīng)過室溫膠溶熟化，制得模數(shù)為4～25的硅酸鋰溶液，但是產(chǎn)品存在透明性差、儲存時間短等缺點(diǎn)。在1964年到1970年間出現(xiàn)了幾份專利報道，其中有兩份專利也提出用硅溶膠和氫氧化鋰制取高模數(shù)水溶性硅酸鋰的方法，它們與第一份專利中的方法大同小異；另外兩份專利則提出用硅膠和氫氧化鋰制備高模數(shù)水溶性硅酸鋰的方法，這種方法需要在加壓(70磅/平方英寸)和高溫下(150℃)反應(yīng)，工藝過程復(fù)雜。另外，發(fā)明專利CN86103395公開了一種生產(chǎn)水溶性工業(yè)硅酸鋰的工藝，該方法是采用水凝膠法，經(jīng)過酸堿中和——中和老化——酸浸——水洗——合成——濃縮等生產(chǎn)過程制備水溶性工業(yè)硅酸鋰；發(fā)明專利CN200610035755.0公開了高模數(shù)水溶芯硅酸鋰的制造方法及其在木材加工中的應(yīng)用，它包括以下步驟：(1)將水合氫氧化鋰和去離子水加入不銹鋼反應(yīng)釜中；(2)在攪拌下，經(jīng)過反應(yīng)釜的夾套通入蒸汽或熱水，加熱升溫到85℃；(3)分次加入二氧化硅；(4)在加入最后一批二氧化硅后，升溫至95℃；(5)待釜中溶液粘度變小時，取樣測定固體份，補(bǔ)加因蒸發(fā)損失減少的水分，調(diào)整到規(guī)定的固體份，即可出鍋。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種高模數(shù)硅酸鋰水溶液的制備方法，生產(chǎn)能耗低、產(chǎn)品透光性好、貯存時間長和粘結(jié)性能優(yōu)的高模數(shù)硅酸鋰水溶液，彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種高模數(shù)硅酸鋰水溶液的制備方法，先以電池級氫氧化鋰溶液與酸性硅溶膠合成模數(shù)低于3.5的模數(shù)硅酸鋰水溶液，再將模數(shù)低于3.5的硅酸鋰水溶液與活性硅酸反應(yīng)制備模數(shù)為4.2～5.5的高模數(shù)硅酸鋰水溶液。進(jìn)一步地，所述的高模數(shù)硅酸鋰水溶液的制備方法，包括以下步驟：(A)配制電池級氫氧化鋰溶液：將電池級氫氧化鋰與去離子水配置成質(zhì)量百分比濃度為1～5％的電池級氫氧化鋰溶液；(B)酸性硅溶膠精制：將酸性硅溶膠通過裝有強(qiáng)酸性苯乙烯系磺酸基陽離子交換樹脂的交換柱以去除Na+、K+；酸性硅溶膠的流速為5-50L/min；(C)合成低模數(shù)硅酸鋰水溶液：往步驟(A)中配置好的氫氧化鋰溶液中加入步驟(B)中精制后的酸性硅溶膠，控制加入速率為5～50L/min，反應(yīng)溫度為20～70℃，攪拌反應(yīng)20min，并在溫度為50～70℃下熟化2～15h得到模數(shù)為低于3.5的硅酸鋰水溶液；(D)活性硅酸的制備：將SiO2質(zhì)量百分比濃度為20％的水玻璃用純水稀釋成SiO2質(zhì)量百分比濃度為2～5％的溶液，通過強(qiáng)酸性苯乙烯系磺酸基陽離子交換樹脂，得到活性硅酸溶液；(E)合成高模數(shù)硅酸鋰溶液：在溫度為40～70℃下，往步驟(C)所得到的低模數(shù)硅酸鋰水溶液中加入步驟(D)所得到的活性硅酸，攪拌反應(yīng)1～10h得到模數(shù)為4.2～5.5的硅酸鋰水溶液；(F)減壓濃縮：將步驟(E)合成的高模數(shù)硅酸鋰水溶液進(jìn)行減壓濃縮，濃縮壓力為－0.02～－0.09MPa，濃縮溫度為40～70℃，濃縮終點(diǎn)為硅酸鋰水溶液的密度為1.17～1.19g/cm3。優(yōu)選地，所述活性硅酸的粒徑為1～3nm，所述活性硅酸中SiO2的質(zhì)量百分比含量為2～5％。優(yōu)選地，所述酸性硅溶膠主要成份SiO2的質(zhì)量百分比含量為25～30％，所述酸性硅溶膠的pH值為2.0～4.0，平均粒徑為5～20nm，比重為1.06～1.20。本發(fā)明的有益效果為：生產(chǎn)能耗低、產(chǎn)品透光性好、貯存時間長和粘結(jié)性能優(yōu)。傳統(tǒng)工藝是采用氫氧化鋰-酸性硅溶膠一步合成，該工藝將酸性硅溶膠加入到氫氧化鋰溶液中，并隨著硅溶膠的加入，硅酸鋰溶液的模數(shù)不斷上升，該工藝的缺陷是難以得到透光性好的高模數(shù)硅酸鋰溶液。其原因在于由于酸性硅溶膠膠中二氧化硅分子呈多分子聚合狀態(tài)，粒徑較大，聚合態(tài)的分子集團(tuán)與單分子相比活性弱的；在反應(yīng)前期，由于溶液堿性強(qiáng)，SiO2多分子聚合體逐漸解離開來，前期得到的低模數(shù)硅酸鋰透光性良好；在反應(yīng)后期，溶液堿性逐漸減弱，SiO2多分子聚合體難以解離開來，呈現(xiàn)為硅酸鋰+硅溶膠的混合體，透光性大大降低。由于活性硅酸極易凝膠，能較長時間保存的活性硅酸(SiO2<5％)的濃度較稀，直接合成得到的4.8模數(shù)硅酸鋰濃度也很低。通過計算該工藝每噸產(chǎn)品需要蒸發(fā)水量為8.24t，而采用二步合成法中低模數(shù)硅酸鋰二氧化硅濃度很高，且后續(xù)所用的活性硅酸量少，每噸產(chǎn)品需要蒸發(fā)水量最低僅為2.67t。具體實(shí)施方式本發(fā)明的一種高模數(shù)硅酸鋰水溶液的制備方法，該方法先以電池級氫氧化鋰溶液與酸性硅溶膠合成模數(shù)低于3.5的低模數(shù)硅酸鋰水溶液，再將模數(shù)為低于3.5的硅酸鋰水溶液與活性硅酸反應(yīng)制備模數(shù)為4.2～5.5的高模數(shù)硅酸鋰水溶液。本發(fā)明的一種高模數(shù)硅酸鋰水溶液的制備方法，具體還可以是包括以下合成步驟：(A)配制電池級氫氧化鋰溶液：將電池級氫氧化鋰與去離子水配置成1～5％(wt％)的電池級氫氧化鋰溶液；(B)酸性硅溶膠精制：將酸性硅溶膠通過裝有強(qiáng)酸性苯乙烯系磺酸基陽離子交換樹脂的交換柱以去除Na+、K+；酸性硅溶膠的流速為5-50L/min；(C)合成低模數(shù)硅酸鋰水溶液：往配置好的氫氧化鋰溶液中加入精制后的酸性硅溶膠，控制加入速率為5～50L/min，反應(yīng)溫度為20～70℃，攪拌反應(yīng)20min，并在溫度為50～70℃熟化2～15h得到模數(shù)為2.5～3.5的硅酸鋰水溶液；(D)活性硅酸的制備：將SiO2質(zhì)量百分比濃度為20％的水玻璃用純水稀釋成SiO2質(zhì)量百分比濃度為2～5％的溶液，通過強(qiáng)酸性苯乙烯系磺酸基陽離子交換樹脂，得到活性硅酸溶液；(E)合成高模數(shù)硅酸鋰溶液：在40～70℃下，往低模數(shù)硅酸鋰水溶液中加入活性硅酸，攪拌反應(yīng)1～10h得到模數(shù)為4.2～5.5的硅酸鋰水溶液；(F)減壓濃縮：將合成的高模數(shù)硅酸鋰水溶液進(jìn)行減壓濃縮，濃縮壓力為－0.02～－0.09MPa，濃縮溫度為40～70℃，濃縮終點(diǎn)為硅酸鋰水溶液的密度為1.17～1.19g/cm3。采用上述步驟的優(yōu)點(diǎn)是工藝條件比較優(yōu)化，得到的產(chǎn)品質(zhì)量最優(yōu)。所述活性硅酸粒徑為1～3nm，SiO2含量為1～5％(wt％)，其優(yōu)點(diǎn)是SiO2分子呈單分子狀態(tài)，分子活性強(qiáng)。所述酸性硅溶膠主要成份SiO2含量為25～30％，其pH為2.0～4.0，平均粒徑為5～20nm，比重為1.06～1.20，其優(yōu)點(diǎn)是活性最優(yōu)，反應(yīng)速度快，分散均勻。步驟(C)的化學(xué)反應(yīng)方程式為：n1SiO2+2LiOH＝Li2O.n1SiO2+H2O(其中：n1≤3.5)加入酸性硅溶膠的質(zhì)量計算如下：m＝ρ×V×ω0×n1×MSiO2/(2×MLiOH)÷ω1其中：m為酸性硅溶膠的質(zhì)量，ω1為酸性硅溶膠的質(zhì)量濃度，V為LiOH溶液的體積，ω0為LiOH的質(zhì)量濃度，ρ為LiOH溶液的密度，MSiO2為SiO2的分子量，MLiOH為LiOH的分子量,n1為硅酸鋰模數(shù)步驟(E)的反應(yīng)離子方程式為：Li2O.n1SiO2+(n2-n1)H2SiO3＝Li2O.MSiO2+(n2-n1)H2O(4.2≤n2≤5.5)加入活性硅酸的質(zhì)量計算如下：m＝ρ×V×ω0×(n2-n1)×MSiO2/(2×MLiOH)÷ω2其中：m為酸性硅溶膠的質(zhì)量，ω2為活性硅酸SiO2質(zhì)量濃度，V為LiOH溶液的體積，ω0為LiOH的質(zhì)量濃度，ρ為LiOH溶液的密度，MSiO2為SiO2的分子量，MLiOH為LiOH的分子量,n2為硅酸鋰模數(shù)。實(shí)施例1：(A)將42Kg電池級單水氫氧化鋰與2358Kg去離子水加入到溶解釜，配制得到1％(wt％)的LiOH溶液；(B)酸性硅溶膠精制：將酸性硅溶膠通過裝有強(qiáng)酸性苯乙烯系磺酸基陽離子交換樹脂的交換柱得到精制的酸性硅溶膠，酸性硅溶膠過柱流速為5L/min；(C)合成低模數(shù)硅酸鋰水溶液：往配置好的氫氧化鋰溶液中加入300KgSiO2含量為25％的精制后的酸性硅溶膠，控制加入速率為5L/min，反應(yīng)溫度為20℃，攪拌反應(yīng)20min，并恒溫50℃熟化2h得到模數(shù)為2.5的硅酸鋰水溶液；(D)活性硅酸的制備：將SiO2濃度為20％的水玻璃用純水稀釋成SiO2濃度為5％的溶液，通過強(qiáng)酸性苯乙烯系磺酸基陽離子交換樹脂，得到SiO2濃度為5％的活性硅酸溶液；(E)合成高模數(shù)硅酸鋰水溶液：在40℃下，往模數(shù)為2.5的硅酸鋰水溶液中加入1500KgSiO2含量為5％的活性硅酸，攪拌反應(yīng)1h得到模數(shù)為4.8的硅酸鋰水溶液；(F)減壓濃縮：將合成的高模數(shù)硅酸鋰水溶液進(jìn)行減壓濃縮，濃縮壓力為－0.02MPa，濃縮溫度為60℃，當(dāng)溶液的密度為1.17時結(jié)束濃縮，得到硅酸鋰水溶液產(chǎn)品。實(shí)施例2：(A)將42Kg電池級氫氧化鋰與758Kg去離子水加入到溶解釜，配制得到3％(wt％)的LiOH溶液；(B)酸性硅溶膠精制：將酸性硅溶膠通過裝有強(qiáng)酸性苯乙烯系磺酸基陽離子交換樹脂的交換柱得到精制的酸性硅溶膠，酸性硅溶膠過柱流速為20L/min；(C)合成低模數(shù)硅酸鋰水溶液：往配置好的3％氫氧化鋰溶液中加入330KgSiO2含量為27％的精制后的酸性硅溶膠，控制加入速率為25L/min，反應(yīng)溫度為60℃，攪拌反應(yīng)20min，并恒溫60℃熟化8.5h得到模數(shù)為3.0的硅酸鋰水溶液；(D)活性硅酸的制備：將SiO2濃度為20％的水玻璃用純水稀釋成SiO2濃度為5％的溶液，通過強(qiáng)酸性苯乙烯系磺酸基陽離子交換樹脂，得到SiO2濃度為5％的活性硅酸溶液；(E)合成高模數(shù)硅酸鋰水溶液：在50℃下，往模數(shù)為3.0的硅酸鋰水溶液中加入720KgSiO2含量為5％的活性硅酸，攪拌反應(yīng)5h得到模數(shù)為4.2的硅酸鋰水溶液；(F)減壓濃縮：將合成的高模數(shù)硅酸鋰水溶液進(jìn)行減壓濃縮，濃縮壓力為－0.05MPa，濃縮溫度為50，當(dāng)溶液的密度為1.18時結(jié)束濃縮，得到硅酸鋰水溶液產(chǎn)品。實(shí)施例3：(A)將42Kg電池級無水氫氧化鋰與438Kg去離子水加入到溶解釜，配制得到5％(wt％)的LiOH溶液；(B)酸性硅溶膠精制：將酸性硅溶膠通過裝有強(qiáng)酸性苯乙烯系磺酸基陽離子交換樹脂的交換柱得到精制的酸性硅溶膠，酸性硅溶膠過柱流速為50L/min；(C)合成低模數(shù)硅酸鋰水溶液：往配置好的氫氧化鋰溶液中加入350KgSiO2含量為30％的精制后的酸性硅溶膠，控制加入速率為50L/min，反應(yīng)溫度為70℃，攪拌反應(yīng)20min，并恒溫70℃熟化15h得到模數(shù)為3.5的硅酸鋰水溶液；(D)活性硅酸的制備：將SiO2濃度為20％的水玻璃用純水稀釋成SiO2濃度為5％的溶液，通過強(qiáng)酸性苯乙烯系磺酸基陽離子交換樹脂，得到SiO2濃度為5％的活性硅酸溶液；(E)合成高模數(shù)硅酸鋰水溶液：在70℃下，往模數(shù)為3.5的硅酸鋰水溶液中加入1020KgSiO2含量為5％的活性硅酸，攪拌反應(yīng)15h得到模數(shù)為5.2的硅酸鋰水溶液；(F)減壓濃縮：將合成的高模數(shù)硅酸鋰水溶液進(jìn)行減壓濃縮，濃縮壓力為－0.09MPa，濃縮溫度為70℃，當(dāng)溶液的密度為1.19時結(jié)束濃縮，得到硅酸鋰水溶液產(chǎn)品。以上實(shí)施例所得到的硅酸鋰溶液的質(zhì)量情況：項目外觀SiO2％Li2O％模數(shù)MnSiO2/nLi2O相對密度g/m3黏度25℃/Pa`spH值實(shí)施例1無色透明20.12.084.81.180.01011實(shí)施例2無色透明19.52.324.21.150.01111實(shí)施例3無色透明20.32.015.11.190.01211上述僅對本發(fā)明中的幾種具體實(shí)施例加以說明，但并不能限定為本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是依據(jù)本發(fā)明中的設(shè)計精神所作出的等效變化或修飾，均應(yīng)認(rèn)為落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3