磷酸硅, 分子式：Si3(PO4)4 ，分子量：304.0，中文名称：磷酸硅，英文名称：Silicon phosphate；Silicon orthophosphate；silicon phosphate ，  CAS：12037-47-7，二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、无毒防锈涂料，有机合成催化剂等方面。

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、无毒防锈涂料，有机合成催化剂等方面。

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(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

磷酸硅	95----99
PH值	6—8
细度（目）	400--800
白度	96
纯度	99
水分%	≤O.8
吸油量	20--30

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%，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。

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、防水粘合剂的固化剂、无毒防锈涂料，有机合成催化剂等方面。

．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。

．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

．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。

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：                                          ^{SiO2.P2O5+4H2O-慢→2H3PO4+H2SiO3}

   H3PO4—→3H⁺+PO4³⁺

 

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.制备方法

.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,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,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。

．磷酸硅的制备工艺

. 原料：稻壳灰、盐酸、磷酸、辅料。

.  工艺流程：稻壳灰→预处理 →低温加热→高温缩合→粉碎→产品 

. 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。

. 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

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.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 SiP2 O7 。

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

标准值	测试值	标准值	测试值	标准值	测试值
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值的对比

标准值	测试值	标准值	测试值	标准值	测试值
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

经红外光谱分析Si3( PO4 )4在 711, 795, 1040, 1120, 1185, 1312, 1639cm ^{- 1} 处有明显吸收峰; SiP2O7在 675, 711, 761, 776, 1040, 1120, 1220, 1312, 1639cm^{- 1}处有明显的吸收峰, 与标准样的红外吸收峰相同。

.制得磷酸硅与其它固化剂进行性能比较

      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。

      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

编号	固化剂	防水性	抗折强度( kg/C )
1	无	浸入水中立即分散	2.0
2	磷酸铝	46h完全断裂	2.2
3	磷酸镁	11h有裂逢	2.0
4	氟硅酸钠	11h有少许粉脱落	2.5
5	氧化锌	2 5h开始分散	2.0
6	磷酸硅	浸 30d无变化	3.3（样品）
7	磷酸硅	浸 30d无变化	3.2（合成）

参考资料：《哈尔滨师范大学自然科学学报》1997年3 月