磷酸硅
磷酸硅，分子式：Si3(PO4)4，分子量：464，中文名稱：磷酸硅，英文名稱：Silicon 磷酸鹽；Silicon orthophosphate；silicon phosphate，CAS：12037-47-7，二氧化硅和磷酸按一定比例混合加熱反應制取，白色粉末狀晶體，無毒、無味，不溶于水。廣泛應用于硅酸鈉固化劑，特種光學玻璃、高強水泥、耐酸粘合劑配料、防水粘合劑、無毒防銹涂料，有機合成催化劑等方面。
正文
1.簡介
磷酸硅，白色粉末狀晶體，無毒、無味，不溶于水。鈉水玻璃及無機涂料固化劑，催化劑，防銹劑。
中文名稱：磷酸硅
英文名稱：Silicon 磷酸鹽；Silicon orthophosphate；silicon phosphate
分子式：Si3(PO4)4
2．物理化學性質
磷酸硅是一系列以SiO2/五氧化二磷不同摩爾比和不同晶型組成的物質，將二氧化硅和磷酸按一定比例混合加熱反應，隨著溫度、反應時間等的變化將生成一系列磷酸硅產物, 磷酸硅(cas:12037-47-7)的物化性質：沸點：158℃at 760 mmHg蒸氣壓力：1.41 mmHg at 25℃，產品白度96以上，純度99。磷酸硅屬磷酸鹽與硅酸鹽兩大系列結合的特殊產品。早期合成磷酸硅是采用純 白炭黑及試劑磷酸，或采用硅膠與磷酸反應制取，其它還有硅藻土與磷酸反應法、硅酸鈉與磷酸反應法以及稻殼灰與磷酸提取法來生產。
表1 磷酸硅的物理性能
3．用途
磷酸硅可用做鈉水玻璃的新型耐水固化劑，同時還廣泛應用于：油漆，涂料，橡膠塑料，造紙，電子，陶瓷，水泥等行業做固化劑，催化劑，防銹劑，黏合劑等。其產品分固體和液體2種，做水玻璃（鉀和鈉）固化劑，固化時間短，強度高，防水能力強，耐酸堿和高溫。可以和任意原料搭配使用，不受外在條件限制。(水玻璃加入固化劑后可以密封保存，不固化，只有噴涂和粉刷后迅速固化）一般用量在： 5-10%。
此外，磷酸硅還廣泛應用于特種光學玻璃、高強水泥、耐酸粘合劑配料、防水粘合劑的固化劑、無毒防銹涂料，有機合成催化劑等方面。
⑴．使用方法：先用適量的水溶解磷酸硅，混合均勻后直接加入硅酸鈉中攪拌均勻即可。也可把磷酸硅直接加入粉料中混合均勻后加入水玻璃中。
⑵．固化劑性能比較：
磷酸硅既可以避免其它固化劑的不足，又能達到建筑防腐材料的規范要求。試塊配方:
配方1：鈉水玻璃100份，磷酸硅15份，鑄石粉等300份調成耐酸砂漿，其初凝時間為2.17小時，終凝時間為5,42小時，試塊尺寸:3×3×3,試塊成型后常溫養護2周，未經酸處理即浸入酸中，經30天謾泡，試塊無裂紋，無潰散。
配方2：磷酸硅16份，鈉硅酸鈉160份，珍珠巖100份，煮后外觀完好，抗壓強度1.7
配方3：氧化鋅16份，鈉水玻璃160份，珍珠巖100份，煮后外觀掉粉，抗壓強度0.75
配方4：氟硅酸鈉16份，鈉水玻璃160份，珍珠巖100份，煮后外觀少許掉粉，抗壓強度1.2
⑶．在無機涂料中的應用：
配方1：鈉水玻璃50份，磷酸硅5份，填充料40份，顏料、助劑適量。添加磷酸硅的涂料性能：硬度6H以上，早期耐水性，5天涂層無變化，常溫水泡139天無異常，耐沸水100度水煮8小時涂膜完好。耐酸性5%鹽酸36天涂層完好，耐高溫600度8小時涂膜完好。
配方2：鈉硅酸鈉50份，填充料40份，顏料適量，助劑適量。
不添加磷酸硅的涂料性能：硬度6H以上，早期耐水性，4小時無變化，常溫水泡10天，耐沸水100度水煮馬上脫落，耐酸性5%鹽酸25天，不耐高溫。
水玻璃作為無機化合物粘結劑越來越廣泛地應用于許多領域, 如陶瓷、金屬防腐、涂料、紙箱、灌漿材料、焊接材料等。并且具有價廉、無毒、耐高溫等優點。但水玻璃由于在硬化物中殘留著吸水性較強的堿金屬氧化物, 因而耐水性能差, 不適應在長期潮濕的環境中使用，不能承受熱水、沸水的沖擊, 限制了該膠粘劑的應用范圍。長期以來, 人們對改進硅酸鈉的耐水性做了大量的研究工作。最常見的方法是在水玻璃中添加固化劑, 最早人們用某些無機酸或某些酸鹽作為固化劑添加到水玻璃中, 由于這些固化劑與水玻璃劇烈反應, 不易調節和控制, 使水玻璃出現過早凝聚或產生不均勻凝膠, 從而大大地降低了水玻璃的韌性, 而且其防水性能的改進并無多大進展。新型水玻璃固化劑---磷酸硅的研制, 有效地解決了以往固化劑的缺陷, 大大提高了水玻璃的耐水性和韌性。
⑷磷酸硅的防水機理
硅酸鈉的吸水性是由Na+導致，所以改進吸水性的方法是，要么增大水玻璃的模數，減小吸水的相對含量；要么添加固化劑用疏水的基團或離子替代Na+，磷酸硅固化劑的防水機理為：
SiO2.五氧化二磷+4H2O→2H3PO4+H2SiO3
H3PO4—→3H+PO4
從以上的方程式中看出, 固化劑的防水作用是提供氫離子代替易引起水解的鈉離子, 但是如果固化劑水解放出氫離子的速度過快，不利于硅膠形成鏈狀聚合物，將會導致凝聚不均勻, 使固化后的硅酸鹽材料不具備單一的均勻結構, 使部分吸水離子或化合物殘留在硅膠結構中, 導致水的滲透而失去耐水性, 抗折強度降低, 由此可知良好的固化劑應能夠提供氫離子，并且釋放速度比較緩慢的化合物，才能達到良好的固化效果。
4.磷酸硅的制備
⑴.磷酸硅的制備原理磷酸硅是一系列以SiO2/五氧化二磷不同摩爾比和不同晶型組成的物質，主要有:
2P2O5+3SiO2→Si3(PO4)4
Si3(PO4)4+P2O5→3SiP2O7
磷酸硅制備以往都是以硅膠為硅源與磷酸反應制得, 所以生產成本比較高。我國有大量的稻殼被用做燒鍋爐的燃料, 燃燒后的殘留物( 稻殼灰) 大多被當做廢物丟棄, 而稻殼灰中卻含有大量的二氧化硅, 用稻殼灰與磷酸反應可以制取磷酸硅。
⑵．磷酸硅的制備工藝
①. 原料：稻殼灰、鹽酸、磷酸、輔料。
②. 工藝流程：稻殼灰→預處理 →低溫加熱→高溫縮合→粉碎→產品
③. 藥品和儀器: 鹽酸( cp 級) , 硝酸( cp 級) , 磷酸( 85% ) , 天平, 馬福爐, 燒杯, 堝, X- 射線衍射儀等。
④. 磷酸硅的制備：
a. 稻殼灰的處理: 稻殼灰是稻殼充分燃燒后殘留物, 其中除含有大量二氧化硅外, 還含有一定量的金屬和堿金屬, 使用前要用稀鹽酸浸泡一段時間, 過濾、洗滌、干燥, 從而除去金屬及堿金屬離子。稻殼灰的成分及含量見表2：
表2 稻殼灰的成分
b.稱取一定量處理后的稻殼灰, 用重量法測定出其中二氧化硅的實際含量, 然后 SiO2/五氧化二磷摩爾比在一定范圍內, 取一定量 85% 的磷酸和稻殼灰, 充分混合均勻, 放入馬福爐, 進行低溫(100-200℃)反應 30-50 分鐘, 然后升溫至 700- 1000℃,反應50- 80分鐘, 可得 Si3( PO4)4和 SiP2O7。
c.用稻殼灰代替硅膠制取磷酸硅, 當控制 SiO2/P2O5的摩爾比在 1.8- 2.5 之間時, 得到的磷酸硅為Si3(PO4)4。當控制 SiO2/ 五氧化二磷摩爾在1.2 -1.8之間 時, 得到的磷酸硅為 SiP2O7。
d.經 X- Ray 衍射分析, 得到的衍射數據與標準圖譜( AST M 卡 22- 1380、 25- 755) 對照, 相似度為 100% 。所得衍射值與標準值比較見和表3、表4。
表3 Si2(PO4)4的D值對比
表4 SiP2O7的D值的對比
經紅外光譜分析Si3( PO4)4在 711, 795, 1040, 1120, 1185, 1312, 1639cm 處有明顯吸收峰; SiP2O7在 675, 711, 761, 776, 1040, 1120, 1220, 1312, 1639cm處有明顯的吸收峰, 與標準樣的紅外吸收峰相同。
⑶.制得磷酸硅與其它固化劑進行性能比較
① 測試比較方法: 稱取固化劑 0.1g 添加到 6ml 硅酸鈉中充分攪拌后, 倒入 5g 珍珠巖, 壓模成型, 規格為 Ф5cm ×1cm 的圓塊。室溫下放置 48 小時, 然后進行防水性及抗折強度實驗。
② 性能測試結果見表5。從性能比較可以看出, 其防水性能遠優于其它固化劑, 其抗折強度也比其它固化劑大, 這一結果與防水機理是吻合的。
表5 各類固化劑性能比較表
參考資料 >