ケイ酸カリウム（HLKL-1）

製造中の過剰な重合やゲル化を避ける方法 弾性率 (M): 2.20-2.40 液体ケイ酸カリウム ?

1. 液状ケイ酸カリウムの特徴と応用背景

液体ケイ酸カリウムは重要な無機ケイ素化合物として、その独特な化学的性質により多くの分野で重要な役割を果たしています。 Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd. が製造する HLKL-1 液体ケイ酸カリウムを例にとると、その弾性率は 2.20 ～ 2.40 です。透明度が高く、アルカリ性が強いのが特徴です。無機塗料、カリ肥料、触媒、石鹸充填物、耐火物などの分野で広く使用されています。生産プロセスにおいて、製品の品質を確保する鍵となるのは過剰な重合やゲル化を避けることです。これは製品の性能安定性に関係するだけでなく、企業の生産効率や市場競争力にも直接影響します。

2. 液体ケイ酸カリウムの重合とゲル化の基本原理

(I) 重合反応機構
液状ケイ酸カリウムの主成分はケイ酸カリウム（K₂O・nSiO₂・mH₂O）であり、その水溶液中には複雑なケイ酸アニオンが存在します。特定の条件下では、これらのアニオンはシリコン-酸素結合 (Si-O-Si) の形成を通じて重合を起こし、さまざまな重合度のポリシリケートを形成します。弾性率（M）は、ケイ酸カリウム中の二酸化ケイ素と酸化カリウムの量の比を測定するための重要な指標です。弾性率が 2.20 ～ 2.40 の液体ケイ酸カリウムの場合、ケイ素 - 酸素四面体の重合度は中程度であり、重合反応の制御性が重要です。
(II) ゲル化の原因
ゲル化は過剰な重合の結果です。ポリシリケートの分子鎖が成長し続け、架橋して三次元網目構造を形成すると、系は液体からゲルに変化します。このプロセスは通常、温度、濃度、pH値、不純物含有量、撹拌条件などの要因の組み合わせの影響を受けます。ゲル化が発生すると、液体ケイ酸カリウムの流動性と性能が大幅に低下し、顧客の用途要件を満たせなくなる場合もあります。

3. 製造中の重合とゲル化に影響を与える主な要因

(I) 原料純度と比率
二酸化ケイ素原料: 液体ケイ酸カリウムの製造に使用される二酸化ケイ素原料 (ケイ砂など) の純度は、製品の品質に直接影響します。原料中に鉄、アルミニウム、カルシウムなどの不純物イオンが含まれている場合、これらの不純物が重合反応の触媒や架橋中心として作用し、重合反応が促進され、ゲル化の危険性が高まることがあります。たとえば、過剰な鉄含有量（0.01% 以上など）は、液体ケイ酸カリウムの安定性を著しく低下させます。 Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd は、この考慮事項に基づいて、製造プロセス中の鉄含有量 ≤0.01% を厳しく管理しています。
酸化カリウムと二酸化ケイ素の比: 弾性率を正確に制御することが、適格な液体ケイ酸カリウムを製造するための核心です。弾性率の計算は、酸化カリウム (K2O) と二酸化ケイ素 (SiO2) の量の比に基づいています。比率が不正確であると、系内のケイ素と酸素の四面体の電荷バランスが崩れ、異常重合を引き起こす可能性があります。生産プロセスでは、弾性率が 2.20 ～ 2.40 の目標範囲内に収まるように、正確な計量と化学反応制御が必要です。
(II) 反応温度と時間
温度の影響: 温度は重合反応速度に影響を与える重要な要素です。温度が上昇すると、分子の運動速度が加速され、反応物分子間の衝突の機会が増加し、それによって重合反応が加速されます。液状ケイ酸カリウムの製造工程において、高温高圧の反応プロセスが採用される場合、温度が適切に制御されていないと、重合反応が制御不能となり、急速に高分子量のポリケイ酸塩が生成され、さらにはゲル化が発生する可能性がある。たとえば、反応温度が 120°C を超えると、重合反応速度が急激に増加する可能性があるため、リアルタイムの監視と温度制御に特別な注意を払う必要があります。
反応時間の制御: 反応時間は重合度と密接な関係があります。一定の温度では、反応時間の延長とともに重合度が徐々に増加します。反応時間が長すぎると、ポリシリケートの分子鎖が成長し続け、最終的にはゲルが形成されます。したがって、過剰な重合を避けながらシリカが十分に反応するように、実験を通じて最適な反応時間を決定する必要があります。弾性率が 2.20 ～ 2.40 の液体ケイ酸カリウムの場合、反応時間は通常 8 ～ 12 時間の範囲内に制御する必要があります。具体的な時間は反応装置や原料の特性に応じて調整する必要があります。
(III) 溶液濃度とpH値
濃度の影響: 液体ケイ酸カリウム溶液の濃度が高くなるほど、単位体積あたりのケイ酸アニオンの濃度が高くなり、分子間衝突の確率が大きくなり、重合反応速度が速くなります。濃度が一定の閾値を超えると（ボーメ値が 46.0 以上など）、系の粘度が著しく上昇し、物質移動や伝熱効率が低下し、局所的な過熱や不均一な重合反応が起こりやすくなり、ゲル化が引き起こされます。 Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd が製造する HLKL-1 液体ケイ酸カリウムのボーメ度は 44.0 ～ 46.0 に管理されており、比較的安全な濃度範囲にありますが、製造過程での濃度変化には細心の注意を払う必要があります。
pH値の調整：ケイ酸カリウム溶液は強アルカリ性であり、pH値はケイ酸アニオンの存在形態に影響を与えます。高pH条件下では、ケイ酸アニオンは主にモノマーまたはオリゴマーの形で存在し、重合反応速度が遅くなります。 pH値が低下すると珪酸塩の解離度が低下し、珪酸塩コロイド粒子が形成されやすくなります。これらの粒子は重合反応の核として機能し、ポリシリケートの形成と架橋を促進します。そのため、製造過程では水酸化カリウムなどのアルカリ性物質を添加して系内のpH値を安定に保つ必要があります。通常、過剰な重合を防ぐため、pH 値は 12 ～ 13 に制御されます。
(IV) 撹拌と物質移動の効果
撹拌は反応系の均一性を確保するための重要な手段です。液状ケイ酸カリウムの製造工程において、撹拌が不十分な場合、局所的な原料濃度、温度、pH値が不均一となり、局所的に過剰な重合が起こる場合があります。たとえば、反応器のデッドコーナーや撹拌パドルの近くでは、材料の滞留や過剰反応が発生し、ゲルコアが形成され、徐々にシステム全体に広がります。したがって、反応プロセス中に材料が完全に混合され、物質移動と熱伝達効率が向上するように、適切な撹拌機のタイプと撹拌速度を選択する必要があります。通常、アンカースターラーまたはパドルスターラーが使用され、混合効果とエネルギー消費のバランスを保つために、撹拌速度は30〜60rpmに制御されます。
(V) 不純物と触媒
原材料中の不純物イオンに加えて、製造装置の材料の選択によっても不純物が混入します。例えば、反応器が通常の炭素鋼製の場合、強アルカリ条件下では鉄イオンが溶解して溶液中に侵入し、重合反応が促進されることがあります。したがって、不純物の導入を減らすために、通常はステンレス鋼またはホーロー反応器が使用されます。また、特定の金属イオン（ナトリウムイオンやカルシウムイオンなど）は重合反応を促進する触媒として作用するため、原料の前処理や製造時にできるだけ除去する必要があります。

4. 過剰な重合やゲル化を避けるための重要な技術的対策

(I) 原料の前処理と品質管理
高純度の原料を選択します。シリカ原料として鉄やアルミニウムなどの不純物の含有量が少ないケイ砂を選択し、原料の厳密な化学分析を実施して純度が製造要件を満たしていることを確認します。同時に、不純物イオンの導入を避けるために、カリウム源として高品質の水酸化カリウムまたは炭酸カリウムを使用してください。
原料比率を正確に制御: 高度な計量機器 (電子スケール、流量計など) を使用して、酸化カリウムと二酸化ケイ素の供給量を正確に制御し、弾性率が目標範囲内に収まるようにします。製造プロセス中、オンライン分析機器を使用して溶液の弾性率と濃度をリアルタイムで監視し、原料比率を適時に調整できます。
(II) 反応プロセスパラメータの最適化
セグメント化された温度制御プロセス: セグメント化された温度制御戦略を使用して、反応開始時の温度 (100 ～ 110℃ など) を適切に上昇させ、二酸化ケイ素の溶解と初期重合反応を促進します。反応中期から後期にかけて徐々に温度を下げ（例えば80℃～90℃）、重合反応速度を遅くし、過剰重合を避けてください。このようにして、反応効率を確保しながら重合度をより適切に制御することができる。
反応時間を厳密に制御：原料の特性や反応装置の性能に応じて、実験を通じて最適な反応時間を決定します。生産プロセス中に、反応時間が正確に制御可能であることを保証し、人間の操作ミスによる過剰な反応時間を回避するために、タイムリレーまたは自動制御システムをセットアップします。
溶液濃度とpH値の制御：反応プロセス中、溶液のボーメ度およびpH値を定期的に監視し、脱イオン水または水酸化カリウム溶液を加えて調整します。ボーメ度が上限 (46.0) に近づいたら、脱イオン水を加えて適時に希釈します。 pH 値が 12 より低い場合は、システムのアルカリ性環境を維持するために適切な量の水酸化カリウム溶液を追加します。
(III) 撹拌・設備設計の強化
撹拌システムの最適化：反応器の容積や材質の特性に応じて、適切な撹拌機の種類や設置位置を選択します。たとえば、大型の反応器の場合、多層撹拌パドルまたは組み合わせ撹拌機（上層のタービン撹拌機と下層のアンカー撹拌機など）を使用して、さまざまな領域での材料の混合効果を向上させることができます。同時に、撹拌パドルの速度と方向は、渦や材料の滞留を避けるために合理的に設計されています。
反応器の構造を改善する: 反応器壁への材料の付着と滞留を減らすために、滑らかな内壁と死角のない反応器設計を使用します。たとえば、反応器の底部を円錐形または楕円形に設計して、材料の排出と洗浄を容易にすることができます。反応器内にはガイドチューブが設置されており、材料の流れ方向をガイドし、混合の均一性を向上させます。
超音波または機械振動の導入: 撹拌プロセス中に、超音波または機械振動デバイスを導入して、エネルギー入力による材料の混合および物質移動効果をさらに高めることができます。超音波はキャビテーション効果を生成し、材料内の凝集体やゲル核を破壊し、過剰な重合反応を抑制します。機械的振動により、撹拌パドルや反応器壁への材料の付着が軽減され、反応システムの均一性が向上します。
(IV) 安定剤および阻害剤の添加
安定剤の役割：有機アルコール（メタノール、エタノール）、ポリオール（エチレングリコール、プロピレングリコール）、ポリエチレングリコールなどの安定剤を液状ケイ酸カリウム溶液に適量添加します。これらの安定剤は、ケイ酸塩アニオンと水素結合を形成し、ケイ素-酸素結合の形成を妨げ、その結果、重合反応を阻害する可能性があります。安定剤の添加量は通常溶液質量の0.5%～2%ですが、最適な添加率は実験により決定する必要があります。
抑制剤の選択: 弾性率が低い液体ケイ酸カリウム (M=2.20 ～ 2.40 など) の場合、少量の酸性塩 (リン酸二水素カリウム、重炭酸カリウムなど) を抑制剤として添加できます。酸性塩は一部の水酸化物イオンを中和し、溶液の pH 値を適切に下げることができますが、pH 値が低すぎることによるシリカコロイドの沈殿を避けるために、添加量を厳密に制御する必要があります。一般に、添加される酸性塩の量は、溶液中の酸化カリウムの質量の 0.1% を超えません。
(V) リアルタイム監視とプロセス制御
オンライン分析技術: オンライン赤外分光計、粘度計、その他の分析機器を使用して、反応系の組成、粘度、重合度、その他のパラメーターをリアルタイムで監視します。たとえば、赤外分光法はシリコンと酸素の結合の特徴的な吸収ピークをリアルタイムで検出して、重合度を決定できます。粘度計は溶液の流動性の変化をリアルタイムで反映できます。粘度が異常に増加した場合は、プロセスパラメータを調整するための適切な措置を講じることができます。
自動制御システム: PLC (プログラマブル ロジック コントローラー) または DCS (分散制御システム) に基づく自動制御システムを確立し、温度、圧力、濃度、pH 値、撹​​拌速度などの主要なプロセス パラメーターを自動制御の範囲に含めます。あらかじめ設定された制御アルゴリズムとしきい値により、加熱/冷却装置、供給ポンプ、撹拌機などの機器の動作状態が自動的に調整され、生産プロセスの安定した制御を実現し、人為的な操作ミスによる製品の品質への影響を軽減します。
(VI) 後処理と保管管理
濾過と清澄化: 反応が完了した後、液体ケイ酸カリウム溶液を濾過して、未溶解の不純物粒子とゲル粒子の可能性があるものを除去します。製品の透明性と純度を確保するために、プレートおよびフレームフィルター、遠心分離フィルター、または膜濾過装置を使用できます。ろ過された溶液は、静的沈降や凝集剤を添加して微小な懸濁物質を除去するなど、さらに清澄化することができます。
保管条件の管理: 液体ケイ酸カリウムは、空気との接触を避けるため、密閉されたプラスチック製のバレルまたはステンレス鋼のタンクに保管する必要があります。保管環境は、直射日光や高温環境を避け、5～30℃の範囲で温度管理し、涼しく乾燥した場所に保管してください。保管中、製品の品質は定期的に検査されます。ゲル化の兆候がある場合は、不適格な製品が市場に流通するのを防ぐために、適時に処理または廃棄する必要があります。

5. 実務経験

Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd.は、無機シリコン製品の専門メーカーとして、液体ケイ酸カリウムの製造プロセスで豊富な経験を蓄積しています。製品の品質管理には常に気を配り、先進的な生産設備や検査機器を導入し、万全の品質管理システムを確立しています。液状ケイ酸カリウムの過剰な重合やゲル化を避けるため、同社では以下の対策を講じている。
厳格な原料管理：原料として高純度の珪砂と水酸化カリウムを選択し、原料品質の安定性を確保するために高品質のサプライヤーと長期的な協力関係を確立します。同時に、原材料の各バッチは工場に入る前に厳しく検査され、不適格な原材料が生産に投入されるのを防ぎます。
最適化された生産プロセス：自社開発の細分化された温度制御反応プロセスと効率的な撹拌システムを採用し、重合反応の正確な制御を実現します。長年にわたるプロセスの最適化により、同社は弾性率 2.20 ～ 2.40 の優れた性能を備えた液体ケイ酸カリウム製品を安定して生産することができます。
完璧な試験方法: 高度な化学分析機器と物理的性能試験機器を備え、生産プロセスの各リンクがリアルタイムで監視および分析されます。たとえば、溶液のボーメ度、密度、シリカ含有量、酸化カリウム含有量、およびその他の指標を測定することにより、製品の品質が標準要件を確実に満たすようにプロセスパラメータを適時に調整できます。
パーソナライズされたソリューション: 顧客のさまざまなニーズに応じて、同社はカスタマイズされた液体ケイ酸カリウム製品とソリューションを提供できます。顧客とのコミュニケーションの過程で、同社の技術担当者は顧客のアプリケーション シナリオとパフォーマンス要件を十分に理解し、適切な製品モデルを顧客に推奨し、顧客が使用中に発生した問題を解決できるよう専門的な技術サポートを提供します。