磷酸硅

​1.简介

磷酸硅,白色粉末状晶体，无毒、无味，不溶于水。钠水玻璃及无机涂料固化剂，催化剂，防锈剂。

中文名称:磷酸硅

英文名称:Silicon phosphate;Silicon orthophosphate;silicon phosphate

分子式:Si3(PO4)4

分子量:304.0 分子结构式:

磷酸硅, 是二氧化硅和磷酸按一定比例混合加热反应制取，白色粉末状晶体，无毒、无味，不溶于水。广泛应用于水玻璃固化剂，特种光学玻璃、高强水泥、耐酸粘合剂配料、防水粘合剂防锈涂料，催化剂等方面。

2.理化性质

磷酸硅是一系列以SiO2/P2O5不同摩尔比和不同晶型组成的物质,将二氧化硅和磷酸按一定比例混合加热反应,随着温度、反应时间等的变化将生成一系列磷酸硅产物,磷酸硅(cas:12037-47-7)的物化性质:沸点:158℃at 760 mmHg蒸气压力:1.41 mmHg at 25℃，产品白度96以上，纯度99。磷酸硅属磷酸盐与硅酸盐两大系列结合的特殊产品。早期合成磷酸硅是采用纯白炭黑及试剂磷酸，或采用硅胶与磷酸反应制取，其它还有硅藻土与磷酸反应法、水玻璃与磷酸反应法以及稻壳灰与磷酸提取法来生产。

表1 磷酸硅的物理性能

3.用途

磷酸硅可用做钠水玻璃的新型耐水固化剂，同时还广泛应用于:油漆，涂料，橡胶塑料，造纸，电子，陶瓷，水泥等行业做固化剂，催化剂，防锈剂，黏合剂等。其产品分固体和液体2种，做水玻璃(钾和钠)固化剂，固化时间短，强度高，防水能力强，耐酸碱和高温。可以和任意原料搭配使用，不受外在条件限制。(水玻璃加入固化剂后可以密封保存，不固化，只有喷涂和粉刷后迅速固化)一般用量在:5-10%。

此外，磷酸硅还广泛应用于特种光学玻璃、高强水泥、耐酸粘合剂配料、防水的固化剂、无毒，有机合成催化剂等方面。

⑴.使用方法:先用适量的水溶解磷酸硅，混合均匀后直接加入水玻璃中搅拌均匀即可。也可把磷酸硅直接加入粉料中混合均匀后加入水玻璃中。

⑵.固化剂性能比较:

磷酸硅既可以避免其它固化剂的不足,又能达到建筑防腐材料的规范要求.试块配方:

配方1:钠水玻璃100份,磷酸硅15份,铸石粉等300份调成耐酸砂浆,其初凝时间为2.17小时，终凝时间为5,42小时，试块尺寸:3×3×3,试块成型后常温养护2周,未经酸处理即浸入酸中,经30天谩泡,试块无裂纹,无溃散。

配方2:磷酸硅16份，钠水玻璃160份，珍珠岩100份，煮后外观完好，抗压强度1.7

配方3:氧化锌16份，钠水玻璃160份，珍珠岩100份，煮后外观掉粉，抗压强度0.75

配方4:氟硅酸钠16份，钠水玻璃160份，珍珠岩100份，煮后外观少许掉粉，抗压强度1.2

⑶.在无机涂料中的应用:

配方1:钠水玻璃50份，磷酸硅5份，填充料40份，颜料、助剂适量。添加磷酸硅的涂料性能:硬度6H以上，早期耐水性，5天涂层无变化，常温水泡139天无异常，耐沸水100度水煮8小时涂膜完好。耐酸性5%盐酸36天涂层完好,耐高温600度8小时涂膜完好。

配方2:钠水玻璃50份，填充料40份，颜料适量，助剂适量。

不添加磷酸硅的涂料性能:硬度6H以上，早期耐水性，4小时无变化，常温水泡10天，耐沸水100度水煮马上脱落，耐酸性5%盐酸25天，不耐高温。

水玻璃作为无机粘结剂越来越广泛地应用于许多领域, 如陶瓷、金属防腐、涂料、纸箱、灌浆材料、焊接材料等。并且具有价廉、无毒、耐高温等优点。但水玻璃由于在硬化物中残留着吸水性较强的碱金属氧化物, 因而耐水性能差, 不适应在长期潮湿的环境中使用,不能承受热水、沸水的冲击, 限制了该胶粘剂的应用范围。长期以来, 人们对改进水玻璃的耐水性做了大量的研究工作。最常见的方法是在水玻璃中添加固化剂, 最早人们用某些无机酸或某些酸盐作为固化剂添加到水玻璃中, 由于这些固化剂与水玻璃剧烈反应, 不易调节和控制, 使水玻璃出现过早凝聚或产生不均匀凝胶, 从而大大地降低了水玻璃的韧性, 而且其防水性能的改进并无多大进展。新型水玻璃固化剂---磷酸硅的研制, 有效地解决了以往固化剂的缺陷, 大大提高了水玻璃的耐水性和韧性。

⑷磷酸硅的防水机理

水玻璃的吸水性是由Na+导致,所以改进吸水性的方法是，要么增大水玻璃的模数,减小吸水的相对含量;要么添加固化剂用疏水的基团或离子替代Na+，磷酸硅固化剂的防水机理为:

SiO2.P2O5+4H2O→2H3PO4+H2SiO3

H3PO4-→3H+PO4

从以上的方程式中看出, 固化剂的防水作用是提供氢离子代替易引起水解的钠离子, 但是如果固化剂水解放出氢离子的速度过快,不利于硅胶形成链状聚合物，将会导致凝聚不均匀, 使固化后的硅酸盐材料不具备单一的均匀结构, 使部分吸水离子或化合物残留在硅胶结构中, 导致水的渗透而失去耐水性, 抗折强度降低, 由此可知良好的固化剂应能够提供氢离子，并且释放速度比较缓慢的化合物，才能达到良好的固化效果。

4.磷酸硅的制备

⑴.磷酸硅的制备原理磷酸硅是一系列以SiO2/P2O5不同摩尔比和不同晶型组成的物质,主要有:

2P2O5+3SiO2→Si3(PO4)4

Si3(PO4)4+P2O5→3SiP2O7

磷酸硅制备以往都是以硅胶为硅源与磷酸反应制得, 所以生产成本比较高。我国有大量的稻壳被用做烧锅炉的燃料, 燃烧后的残留物( 稻壳灰) 大多被当做废物丢弃, 而稻壳灰中却含有大量的二氧化硅, 用稻壳灰与磷酸反应可以制取磷酸硅。

⑵.磷酸硅的制备工艺

①. 原料:稻壳灰、盐酸、磷酸、辅料。

②. 工艺流程:稻壳灰→预处理 →低温加热→高温缩合→粉碎→产品

③. 药品和仪器: 盐酸( cp 级) , 硝酸( cp 级) , 磷酸( 85% ) , 天平, 马福炉, 烧杯, 坩埚, X- 射线衍射仪等。

④. 磷酸硅的制备:

a. 稻壳灰的处理: 稻壳灰是稻壳充分燃烧后残留物, 其中除含有大量二氧化硅外, 还含有一定量的金属和碱金属, 使用前要用稀盐酸浸泡一段时间, 过滤、洗涤、干燥, 从而除去金属及碱金属离子。稻壳灰的成分及含量见表2:

表2 稻壳灰的成分

b.称取一定量处理后的稻壳灰, 用重量法测定出其中二氧化硅的实际含量, 然后 SiO2/P2O5 摩尔比在一定范围内, 取一定量 85% 的磷酸和稻壳灰, 充分混合均匀, 放入马福炉, 进行低温(100-200℃)反应 30-50 分钟, 然后升温至 700- 1000℃,反应50- 80分钟, 可得 Si3( PO4)4和 SiP2O7 。

c.用稻壳灰代替硅胶制取磷酸硅, 当控制 SiO2/P2O5的摩尔比在 1.8- 2.5 之间时, 得到的磷酸硅为Si3(PO4)4 。当控制 SiO2/ P2O5摩尔在1.2 -1.8之间 时, 得到的磷酸硅为 SiP2O7。

d.经 X- Ray 衍射分析, 得到的衍射数据与标准图谱( AST M 卡 22- 1380、 25- 755) 对照, 相似度为 100% 。所得衍射值与标准值比较见和表3、表4。

表3 Si2(PO4)4的D值对比

表4 SiP2O7的D值的对比

经红外光谱分析Si3( PO4)4在 711, 795, 1040, 1120, 1185, 1312, 1639cm 处有明显吸收峰; SiP2O7在 675, 711, 761, 776, 1040, 1120, 1220, 1312, 1639cm处有明显的吸收峰, 与标准样的红外吸收峰相同。

⑶.制得磷酸硅与其它固化剂进行性能比较

① 测试比较方法: 称取固化剂 0.1g 添加到 6ml 水玻璃中充分搅拌后, 倒入 5g 珍珠岩, 压模成型, 规格为 Ф5cm ×1cm 的圆块。室温下放置 48 小时, 然后进行防水性及抗折强度实验。

② 性能测试结果见表5。从性能比较可以看出, 其防水性能远优于其它固化剂, 其抗折强度也比其它固化剂大, 这一结果与防水机理是吻合的。

表5 各类固化剂性能比较表

1、其制备方法是以丙烯为原料，以磷酸硅藻土为催化剂，在加压下直接水合成异丙醇。其工艺是将丙烯和水分别加压到2.03 MPa，并预热至200℃，混合后进入反应器，进行水合反应，反应器内装有磷酸硅藻土催化剂，反应温度为95℃，压力为2.03 MPa，水与丙烯的摩尔比为0.7∶1，丙烯转化率为5.2%，选择性为99%，反应气体经中和和换热后送到高压冷却器和高压分离器，气相中的异丙醇在回收塔中用无盐水喷淋回收，未反应的气体经循环压缩机循环使用，液相为低浓度异丙醇(15%~17%)，经粗蒸塔得85%~87%异丙醇水溶液，再用精馏塔精馏到95%，然后用苯萃取到99%以上。该方法是国内外生产异丙醇的主要方法。该法不用硫酸，不存在腐蚀问题，工艺流程比较简单。

2、还有一个硫酸水合法，即用含50%以上的丙烯为原料，在50℃和低压下在吸收塔中用75%~85%的浓硫酸吸收，将吸收液稀释到硫酸含量为35%，在解吸塔中用低压蒸汽水解成异丙醇。该方法丙烯转化率可达90%以上，得到粗品异丙醇含异丙醇高达50%~60%。此法要用硫酸，对设备腐蚀性大，另外，稀硫酸要进行浓缩套用。

化学反应方程式:CH3CH=CH2+H2SO4→(CH3)2CHOSO3H[H2O]→(CH3)2CHOH+H2SO4

3、2-丙醇可用发酵的方法生产，生产1t2-丙醇需消耗16t粮食。工业上采用丙烯水合法，较早采用硫酸水合法(又称间接水合法);1951年英国卜内门化学工业公司开始用丙烯直接水合法生产2-丙醇。1.间接水合法 丙烯与硫酸反应先得到硫酸氢异丙酯，后者经水解而成异丙醇。2.直接水合法 丙烯和水在催化剂存在下加温、加压进行水合反应。

4、由硫酸吸收丙烯，再水解后精馏而得纯品。