基本介紹
- 中文名：磷酸矽
- 分子式：Si3(PO4)4
1.簡介
磷酸矽,白色粉末狀晶體，無毒、無味，不溶於水。鈉水玻璃及無機塗料固化劑，催化劑，防鏽劑。
中文名稱：磷酸矽
英文名稱：Silicon phosphate；Silicon orthophosphate；silicon phosphate
分子式：Si3(PO4)4
分子量：304.0
分子結構式：
分子結構式：
磷酸矽, 是二氧化矽和磷酸按一定比例混合加熱反應製取，白色粉末狀晶體，無毒、無味，不溶於水。廣泛套用於水玻璃固化劑，特種光學玻璃、高強水泥、耐酸粘合劑配料、防水粘合劑、無毒防鏽塗料，有機合成催化劑等方面。
2．理化性質
產品名稱: | 磷酸矽 |
英文品名: | Siliconphosphate |
Cas號: | 12037-47-7 |
分子結構: | |
分子式: | Si3(PO4)4 |
分子量: | 304 |
EINECS: | 234-858-4 |
危險品標誌: | 無毒 |
化學屬性: | cas: 12037-47-7 沸點：158 ℃at 760 mmHg 蒸氣壓力：1.41 mmHg at 25℃。 |
用途: | 水玻璃固化劑，催化劑，防鏽劑。 |
描述: | 白色粉末狀晶體，無毒、無味。 |
磷酸矽是一系列以SiO2/P2O5不同摩爾比和不同晶型組成的物質,將二氧化矽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矽產物,磷酸矽(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。磷酸矽屬磷酸鹽與矽酸鹽兩大系列結合的特殊產品。早期合成磷酸矽是採用純白炭黑及試劑磷酸，或採用矽膠與磷酸反應製取，其它還有硅藻土與磷酸反應法、水玻璃與磷酸反應法以及稻殼灰與磷酸提取法來生產。
表1 磷酸矽的物理性能
磷酸矽 | 95----99 |
PH值 | 6—8 |
細度（目） | 400--800 |
白度 | 96 |
純度 | 99 |
水分% | ≤O.8 |
吸油量 | 20--30 |
3．用途
磷酸矽可用做鈉水玻璃的新型耐水固化劑，同時還廣泛套用於：油漆，塗料，橡膠塑膠，造紙，電子，陶瓷，水泥等行業做固化劑，催化劑，防鏽劑，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，耐酸鹼和高溫。可以和任意原料搭配使用，不受外在條件限制。(水玻璃加入固化劑後可以密封保存，不固化，只有噴塗和粉刷後迅速固化）一般用量在：5-10%。
⑴．使用方法：先用適量的水溶解磷酸矽，混合均勻後直接加入水玻璃中攪拌均勻即可。也可把磷酸矽直接加入粉料中混合均勻後加入水玻璃中。
⑵．固化劑性能比較：
磷酸矽既可以避免其它固化劑的不足,又能達到建築防腐材料的規範要求.試塊配方:
配方1：鈉水玻璃100份,磷酸矽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,試塊成型後常溫養護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：磷酸矽16份，鈉水玻璃160份，珍珠岩100份，煮後外觀完好，抗壓強度1.7
配方3：氧化鋅16份，鈉水玻璃160份，珍珠岩100份，煮後外觀掉粉，抗壓強度0.75
配方4：氟矽酸鈉16份，鈉水玻璃160份，珍珠岩100份，煮後外觀少許掉粉，抗壓強度1.2
⑶．在無機塗料中的套用：
配方1：鈉水玻璃50份，磷酸矽5份，填充料40份，顏料、助劑適量。添加磷酸矽的塗料性能：硬度6H以上，早期耐水性，5天塗層無變化，常溫水泡139天無異常，耐沸水100度水煮8小時塗膜完好。耐酸性5%鹽酸36天塗層完好,耐高溫600度8小時塗膜完好。
配方2：鈉水玻璃50份，填充料40份，顏料適量，助劑適量。
不添加磷酸矽的塗料性能：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。
水玻璃作為無機粘結劑越來越廣泛地套用於許多領域, 如陶瓷、金屬防腐、塗料、紙箱、灌漿材料、焊接材料等。並且具有價廉、無毒、耐高溫等優點。但水玻璃由於在硬化物中殘留著吸水性較強的鹼金屬氧化物, 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、沸水的衝擊, 限制了該膠粘劑的套用範圍。長期以來, 人們對改進水玻璃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, 由於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並無多大進展。新型水玻璃固化劑---磷酸矽的研製, 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磷酸矽的防水機理
水玻璃的吸水性是由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+，磷酸矽固化劑的防水機理為：
SiO2.P2O5+4H2O→2H3PO4+H2SiO3
H3PO4—→3H++PO43+
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,不利於矽膠形成鏈狀聚合物，將會導致凝聚不均勻, 使固化後的矽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矽膠結構中, 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，並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.磷酸矽的製備
⑴.磷酸矽的製備原理磷酸矽是一系列以SiO2/P2O5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
磷酸矽製備以往都是以矽膠為矽源與磷酸反應製得, 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, 燃燒後的殘留物( 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矽, 用稻殼灰與磷酸反應可以製取磷酸矽。
⑵．磷酸矽的製備工藝
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, 坩堝, X- 射線衍射儀等。
④. 磷酸矽的製備：
a. 稻殼灰的處理: 稻殼灰是稻殼充分燃燒後殘留物, 其中除含有大量二氧化矽外, 還含有一定量的金屬和鹼金屬, 使用前要用稀鹽酸浸泡一段時間, 過濾、洗滌、乾燥, 從而除去金屬及鹼金屬離子。稻殼灰的成分及含量見表2：
表2 稻殼灰的成分
成分 | 含量(wt%) | 成分 | 含量( wt%) | 成分 | 含量(wt%) |
SiO2 | 91.1- 99 | Mg | 0.1- 0.2 | K | 0.4- 2.5 |
Ca | 0.2- 1.4 | Mn | 0.2 | Na | 0.1- 1.5 |
Fe | 0.03- 0.5 | P | 0.1- 1.3 | Al | 200(μg/g) |
b.稱取一定量處理後的稻殼灰, 用重量法測定出其中二氧化矽的實際含量, 然後 SiO2/P2O5 摩爾比在一定範圍內, 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, 然後升溫至 700- 1000℃,反應50- 80分鐘, 可得 Si3( PO4)4和 SiP2O7 。
c.用稻殼灰代替矽膠製取磷酸矽, 當控制 SiO2/P2O5的摩爾比在 1.8- 2.5 之間時, 得到的磷酸矽為Si3(PO4)4 。當控制 SiO2/ P2O5摩爾在1.2 -1.8之間 時, 得到的磷酸矽為 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
標準值 | 測試值 | 標準值 | 測試值 | 標準值 | 測試值 |
8.00 | 8.015 | 3.067 | 3.084 | 2.268 | 2.266 |
6.536 | 6.540 | 2.809 | 2.812 | 2.252 | 2.263 |
5.917 | 5.921 | 2.778 | 2.782 | 2.217 | 2.217 |
4.016 | 4.023 | 2.681 | 2.684 | 2.184 | 2.184 |
3.937 | 3.939 | 2.558 | 2.561 | 2.083 | 2.084 |
3.534 | 3.534 | 2.519 | 2.516 | 2.066 | 2.062 |
3.367 | 3.364 | 2.421 | 2.419 | 1.977 | 1.977 |
3.286 | 3.265 | 2.370 | 2.369 | ----- | ----- |
表4 SiP2O7的D值的對比
標準值 | 測試值 | 標準值 | 測試值 | 標準值 | 測試值 |
6.410 | 6.415 | 3.205 | 3.206 | 2.587 | 2.589 |
4.695 | 4.701 | 3.049 | 3.052 | 2.342 | 2.345 |
3.953 | 3.953 | 3.003 | 3.006 | 2.309 | 2.311 |
3.817 | 3.815 | 2.907 | 2.908 | 2.288 | 2.288 |
3.774 | 3.775 | 2.849 | 2.846 | 2．262 | 2.264 |
3.704 | 3.706 | 2.793 | 2.796 | 2.179 | 2.176 |
3.636 | 3.636 | 2.681 | 2.683 | 2.101 | 2.102 |
3.534 | 3.536 | 2.532 | 2.553 | 2.062 | 2.064 |
3.344 | 3.348 | 2.488 | 2.487 | 2.028 | 2.032 |
3.322 | 3.323 | 2.398 | 2.395 |
經紅外光譜分析Si3( PO4)4在 711, 795, 1040, 1120, 1185, 1312, 1639cm - 1 處有明顯吸收峰; SiP2O7在 675, 711, 761, 776, 1040, 1120, 1220, 1312, 1639cm- 1處有明顯的吸收峰, 與標準樣的紅外吸收峰相同。
⑶.製得磷酸矽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 水玻璃中充分攪拌後, 倒入 5g 珍珠岩, 壓模成型, 規格為 Ф5cm ×1cm 的圓塊。室溫下放置 48 小時, 然後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, 其防水性能遠優於其它固化劑, 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
編號 | 固化劑 | 防水性 | 抗折強度( kg/C㎡ ) |
1 | 無 | 浸入水中立即分散 | 2.0 |
2 | 磷酸鋁 | 46h完全斷裂 | 2.2 |
3 | 磷酸鎂 | 11h有裂逢 | 2.0 |
4 | 氟矽酸鈉 | 11h有少許粉脫落 | 2.5 |
5 | 氧化鋅 | 2 5h開始分散 | 2.0 |
6 | 磷酸矽 | 浸 30d無變化 | 3.3（樣品） |
7 | 磷酸矽 | 浸 30d無變化 | 3.2（合成） |
