硅胶

硅胶（ silica gel ）是由单分子硅酸经过多次聚合而成的一种多孔性物质，其主要的化学成分为二氧化硅，化学式为

硅胶材料的首次发现是由 van Helmont（西班牙化学家，范·海尔蒙特）于1640年将硅酸盐溶解后酸化制备。在1846年，科学家发现四氯化硅和乙醇反应生成的一种玻璃态物质，这种物质引起了广泛关注。Graham（英国物理化学家，全称T.Thomas Graham，托马斯格雷姆）在研究硅胶时，于1864年首次提出“溶胶-凝胶”的概念。1866年，Alfred Bernhard Nobel(瑞典化学家，阿尔弗雷德·贝恩哈德·诺贝尔)发现硝酸甘油吸附在硅藻土上比纯的硝酸甘油更加稳定，因而在运输方面更加安全，基于此发现申请了“炸药”的专利，这是二氧化硅的重要应用，在某种程度上促进了硅胶应用的发展。而硅胶第一次真正的应用是在第一次世界大战。 Walter A. Patrick（美国化学家，帕特里克）于1912-1915年，在哥根廷大学读博期间发明了一种以硅酸钠为原料大量生产硅胶的方法，并在随后的第一次世界大战中应用在防毒面具上，成为“芥子气”的吸附材料，因此挽救了无数士兵的生命。1931年，Kistler（美国化学家，气凝胶之父，基斯特勒）制备出了性能优越的硅胶材料，被称为“气凝胶”。硅胶制备技术发展逐渐成熟，而功能方面暂未有过多的发展，在此之后对硅胶功能性的研究逐渐增加。1949年，Dickey首次将有机染料包裹在硅胶中，并用甲醇萃取，制备了一种具有选择性吸附能力的硅胶材料。David Avnir（以色列化学家，大卫阿夫尼尔）在此基础上，掺杂了罗丹明染料，发明了一种选择性和孔隙条件更好的硅胶材料，同时具有更好的光稳定性和热稳定性。随后，又在硅胶中掺杂稠环芳烃，制备了无机-有机溶胶-凝胶材料，具有光照变色的性能。在此之后，硅胶的掺杂技术得到了广泛的发展，不仅乙醇等小分子物质可以掺杂，还可以掺杂酶等大分子，扩展硅胶的功能使其能够应用在医药领域。自1995年Avnir发明的溶胶-凝胶法制备掺杂硅胶材料，对硅胶的研究显著增多，在硅胶的应用方面也得到了更加广泛的应用。硅胶已经可以应用于传感器、光学活性涂层、药物缓释剂、吸附材料、生物技术、节能减排、环境治理、电化学材料等多个领域。

硅胶材料文章数量

硅胶（Silica Gel）的主要化学成分是二氧化硅，是由二氧化硅合成的多孔性非晶体材料，内部结构是以SiO4四面体形式存在，分子式可以表示为

。相比于二氧化硅的非晶体形式，硅胶内部的多孔性使得其具有非常大的表面积，而对于孔隙度更大的硅胶也被称之为硅胶气凝胶。

硅胶结构

小粒径多孔的硅胶往往具有很大孔容和比表面积，而且，硅胶表面的化学结构在其物理化学性质中起着重要的作用。硅胶的表面含有大量的硅醇基团，因此具有很强的氢键作用和极强的吸湿性能。

硅胶表面基团

硅胶是二氧化硅的非晶态形式，具有很强的物理吸水性，表面硅羟基与水形成氢键而更加稳定，总含水量约为总量的2%-10%，对于800

的硅胶吸水可达自重的40%。加热至100℃以上时，物理吸附水蒸发，200℃时硅羟基将缩合放出水，在1200℃可基本完成。

硅胶颗粒的重要参数包括平均孔径、比表面积、孔容等，市场售卖的硅胶平均孔径在2nm-15nm，比表面积在300-800

，容量密度在0.67-0.75

。对于比表面积高于500

通常存在细孔，比表面积低于10

则具有大孔结构。硅胶的化学性质稳定，一般可以耐受酸性介质的侵蚀，在碱性环境下不稳定。常温常压下在纯水中的溶解度为100mg/L，并随着温度的升高而增加，pH越高溶解度也升高。pH大于9时，溶解度显著增加。

硅胶按照孔径分类，可以分为微孔、中孔和大孔硅胶。一般将小于2nm的称为微孔硅胶，对于大于2nm而小于50nm的称为中孔硅胶，超过50nm的称为大孔硅胶。同时，根据形成的孔隙结构的排列分布状况，可将硅胶分为无定型硅胶和有序硅胶两种。

硅胶在化工生产和生活中都是非常重要的材料，其具有二维的空间网状结构，属于多孔性的固体物质。硅胶的孔分布范围非常广，具有非常大的比表面积，同时硅胶还具有一定的活性，可以广泛应用于工业生产中。硅胶等多孔性的微球材料的制备已经得到了非常成熟的开发。根据不同的硅胶制备的技术原理，可主要将它们分为3类，分别是：(1)堆积硅珠法；(2)溶胶-凝胶法(SOL-GEL)；(3)沉淀干燥法。

溶胶-凝胶法合成硅胶的原料是烷[wán]氧基硅烷，通过水解和缩聚的方法制备硅胶。使用溶胶-凝胶法合成硅胶的核心方法是让烷氧基的硅烷水解得到硅醇，形成溶胶类型的胶体悬浮液。在水解形成胶体悬浮液的过程中，需要添加酸性或碱性催化剂促进该反应的进行。酸性催化剂常用盐酸，磷酸，硫酸等；碱性催化剂常用氢氧化钠。

酸性催化机理

碱性催化机理

然后让溶胶内部发生缩聚过程,此过程是由水解后得到的硅醇相互脱水聚合，并进行大部分的凝胶化，这样可以形成湿凝胶，最后通过洗涤与干燥的过程形成干凝胶。

缩聚机理

传统的多孔硅胶的制备通常先将沙子或含硅的矿石按照：洗涤→浸泡→干燥→焙烧的流程进行，之后得到了透明的硅酸盐（如硅酸钠）。熔融后过滤，向滤液中加入氯化铵进行酸化，得到聚硅酸或微粒硅胶，其基本原理是：

加入氯化铵[ǎn]后发生水解反应，造成了硅酸分子不断地生成，同时还由于硅酸中的硅原子并不能满足6配位而存在聚合的趋势，因此，就会造成单分子的硅酸之间会不断逐渐缩合变为多酸而同时形成硅酸溶胶。并且，硅酸溶胶中溶有电解质离子(如Na离子等)，这将会促使溶胶会发生聚沉而形成半凝固的状态、软而透明并有弹性的硅酸凝胶。之后将硅酸的凝胶充分洗涤从而去除了可溶性盐类，干燥并脱水后即可以成为多孔性的固体，即为硅胶，研磨后最终既可以得到硅胶粉末。

硅胶对于石油化工方面的主要可以作催化剂、催化剂载体，用于变压吸附与脱除同时净化柴油或汽油中的氮化物、与色谱柱的填料等。

一般来说，对于硅胶通常来说可以作为烯烃聚合的十分有效的催化剂载体，并且还可以通过改变硅胶的活化的物理条件以及物性参数，来控制合成聚乙烯的相对分子质量。就比如负载型的铬系催化剂在最初以硅胶上负载氧化铬制得，并同时也能增加催化剂的表面积和孔隙度，从而提高催化剂的吸附能力和反应速率。且已广泛应用在许多方法之中，就比如淤浆法、溶液法、气相法聚乙烯生产工艺中。硅胶同时可以作为离子液体的载体，能够有效降低离子液体使用量，并提高反应的转化率和选择性。

如果油品中的具有含氮化合物，尤其是碱性的氮化物就会严重影响产品使用性能以及储存的安定性,还会使催化剂中毒失活。并且柴油中氮含量过高还会严重地抑制柴油加氢与脱硫的深度，所以对于石油中的含氮化合物必须尽量地脱除干净。硅胶也具有丰富的孔结构较大的比表面积,这样可以优先吸附极性分子中不饱和的碳氢化合物,所以硅胶是作为油品脱氮的最佳选择。硅胶和变色硅胶的脱氮率会明显高于氧化铝和硅藻土，硅胶和变色硅胶的脱氮率均非常高，所以硅胶的吸附脱氨效果是要明显地好于其他的吸附剂。

食用硅胶孔径大约是8-10nm，是主要用于食品的复模，各类模具，和尺寸要求比较稳定的器材，硅胶无毒、无气味、不黄变、透明度高，柔软与弹性好，耐扭结不变形，是作为家庭食品中很重要的材料。同时硅胶表面是亲水性的，所以食品级的硅胶还经常作为食品与药品的干燥剂。可以利用干燥剂来吸附防潮包装中的大部分水分，可以延缓包装物含水量的升高，可以有效的抑制微生物的生存及消弱多种的化学反应，有效实现防霉、防锈、抗氧化、防潮的包装，以达到延长产品的保存期的目的。硅胶还可以作为填充剂添加到食品中，例如在肉制品、面包和甜点等食品中添加硅胶可以增加体积和减少成本。硅胶可以作为增稠剂添加到食品中，添加硅胶可以增加粘度和稠度。作为流动剂添加到食品中，可以改善流动性。

在农业方面硅胶的应用也是非常广泛的，比如最常用的就是硅胶可以作农药的载体，一般情况下选择孔容比较大，同时离子强度高的硅胶。如采用硅胶可以作为制备水不溶性的季铵盐杀菌剂原料，是有机聚合物作为水不溶性的杀菌剂的载体，由于农药没有刚性结构，所以其形状与大小严重受溶剂、温度和压力的影响，导致限制了其大规模的应用。而如果用硅胶等无机物作载体的话，由于其在结构上具有刚性，则不会受上述因素影响。并且经验证，以硅胶为载体的杀菌剂，杀菌效果非常好，可以达到97%以上。

优质硅胶还可以作为柱层层析硅胶的重要原材料，大量的硅羟基可以覆盖在硅胶的表面，这样就会使硅胶具有一定的吸附能力。可以用硅胶表面的键合技术，给硅胶表面进行硅烷化，使得硅胶表面可以带有不同的官能团，可以用于中草药的有效成分的分离与提纯。如火麻仁又名大麻仁，可以采用硅胶柱层析-反相高效液相色谱(RP-HPLC)法提取有效成分。可以以氯仿-石油醚的混合溶剂作为淋洗剂，将火麻仁在甲醇的提取物用硅胶柱层析法进行纯化处理，最终就可以得到非常有效的提取物，此方法具有简便、准确、分离度和重复性好的优点，并且适用于火麻仁的质量控制。硅胶在1963年应用于美容整形手术，一直是术后乳房重建使用最广泛的材料。然而硅胶乳房假体尚存健康问题，在这方面上需要深入研究并开发出更安全，更持久的硅胶材料。

在打印技术上，硅胶有优良的固墨性，可以形成特殊的微孔网络，这样的网络可以把墨滴牢牢的吸附住，既可以保证优良的影像质量同时还可以缩短干燥的时间，故微孔的硅胶被认为是彩喷纸常用的最佳颜料。

变色硅胶是一种可根据温度变化而改变颜色的智能材料，广泛应用于温度测量、食品安全检测和化学物质检测等领域。在温度测量方面，变色硅胶可用作可视化温度计，例如在热带鱼缸中使用，也可用于医疗领域，测量人体表面温度。在食品安全检测方面，变色硅胶可用作快速检测食品是否变质的方法，通过变化的颜色提醒人们不要食用。在化学物质检测方面，变色硅胶可用于检测有害气体的存在，例如在建筑工地等易积聚有害气体的场所，变化的颜色也可提醒人们及时采取措施。

硅胶猫砂是一种高活性吸附材料，是最理想的新型宠物垃圾清洁剂。基于硅胶的理化性质，硅胶猫砂性质稳定且无毒害作用，能够在短时间内吸收宠物的粪便，同时还能吸收空气中易挥发气体起到清新空气的作用。

硅胶可作为香料的缓释材料。将香料封装到硅胶材料中，一方面可以保持日用产品如护肤品，香水，香皂等的芳香，另一方面可以维持香味剂的稳定性，避免发生毒副作用和过敏反应，也防止对环境造成污染。硅胶材料也能够用于建筑领域，将硅胶加入水泥中，加速水泥的水化，并增加了抗压强度。硅胶基于其高吸附性可以用作家用滤水器，同时其表面积的多种基团可以键合其他化合物，并起到消菌杀毒的效果。

对于硅胶来说，对环境和人身没有什么危害，所以其不是有害垃圾。由于硅胶材料其本身必须无毒，并且有显著的生理惰性。此外硅胶还具有化学稳定性，耐腐蚀，同时也不易分解，这样才能防止有害物质的产生。相比较于普通的塑料，硅胶安全性明显会高很多。硅胶是有机硅聚合物，分子链中主要以硅氧键为主，附带的基团也会主要是甲基等没有反应活性的集团。因此硅胶性质非常稳定，不易分解，也没有生理活性，不参与新陈代谢，这样对于人体没有毒害作用。对医用硅胶管的生物相容性测试表明，人体组织对其反应很小，即使在植入体内的情况下也不会引起排异反应。但硅胶粉尘对人体的危害包括呼吸系统、眼部和皮肤的刺激，长期接触可能导致肺纤维化。具体而言，硅胶粉尘中的游离二氧化硅颗粒能够在呼吸道沉积并引起炎症反应，长期积累会导致肺部疾病。此外，硅胶粉尘对眼睛和皮肤也有刺激作用。

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