一種製備納米二氧化矽的方法
2023-05-25 08:39:01 1
專利名稱：一種製備納米二氧化矽的方法
技術領域：
本發明涉及二氧化矽粉體的製備技術，特別是涉及一種在複合剪切力場下可製備 粒徑小且均勻的純納米二氧化矽或有機改性的納米二氧化矽的方法。
背景技術：
納米SiO2是無毒、無汙染的白色粉末，因粒徑小、比表面積大以及表面存在大量羥 基等呈現出優越的補強性、穩定性、增稠性和觸變性，在塑料、橡膠、黏合劑、塗料等領域得 到了廣泛的應用。目前，製備納米SiO2的方法有很多，主要有幹法和溼法兩種。幹法有氣 相分解法和電弧法，溼法有化學沉澱法、微乳液法、溶膠-凝膠法和真空冷凝法等。用幹法、 微乳液法和溶膠-凝膠法製備出的納米SiO2分別存在設備昂貴、製備周期長且不適合大量 生產、原料價格高等不足。而化學沉澱法製備過程簡單，且對實驗設備要求不高，能耗少，投 資低。但是目前大部分化學沉澱法製備粒徑小於20nm的納米SiO2仍停留在實驗室合成階 段，產量低，多數需要消耗大量的有機溶劑，很難實現大批量生產。由於納米SiO2表面能大，易於團聚，限制了其超細效應的充分發揮，影響其在聚合 物基體中的分散以及與聚合物基體的界面結合，因此，很有必要對其進行改性以改善其在 聚合物基體中的分散性和組分間的界面結合。用表面活性劑、矽烷偶聯劑或酞酸酯偶聯劑 對納米SiO2改性，該方法簡單可行，可廣泛應用於納米SiO2粒子的表面改性。目前，大部分 納米SiO2改性是先合成納米SiO2,在通過幹法或溼法改性納米SiO2,幹法改性納米SiO2需 要改性劑的量較大，而且有部分改性劑未接枝於納米SiO2上，對製品性能有不良影響，溼法 改性納米SiO2需要大量的溶劑，造成生產納米SiO2的成本增加，而且對廢液需要處理，不適 合目前環境友好型、能源節約型的要求，對納米SiO2在合成時進行改性，可以很好的簡單工 藝、降低生產成本。
發明內容
本發明的目的在於提供一種工藝簡單，過程易於控制，乾燥要求低，成本低，而且 平均粒徑可達19. 5nm，粒徑分布窄，純度高的純納米SiO2或有機改性的納米SiO2的製備方法。本發明的目的是通過以下途徑實現的，它是採用複合剪切力場來製備納米二氧化 矽，它的具體製備步驟為第一步，配製濃度為80 100g/L的矽酸鈉溶液作為A液，質量濃度為10 30% 的沉澱劑為B液，質量濃度為10 30%的表面活性劑和質量濃度為20% 40%氯化鈉的 混合液為C液，質量濃度為10 20g/L的改性劑為D液；第二步，分兩種情況，一是製備純納米二氧化矽，在室溫下，將配好的反應液A、B、 質量濃度為20% 40%氯化鈉溶液分別倒入料筒，按三個進料管向自製反應裝置中以一 定速度進料，同時由進氣管向反應裝置內通入氣體，在複合剪切力場下高速攪拌，並控制反 應體系的PH值，反應液同時滴加完後繼續攪拌IOmin ；二是製備有機改性納米二氧化矽，在室溫下，將配好的反應液A、B、C、D分別倒入料筒，按四個進料管向自製反應裝置中以一定速度進料，同時由進氣管向反應裝置內通入氣體，在複合剪切力場下高速攪拌，並控制反應 體系的PH值，反應液同時滴加完後繼續攪拌IOmin ；第三步，將乳白色反應液沉降，陳化24h後抽濾，洗滌至無氯離子，然後經乾燥，得 到二氧化矽；第四步，粉碎，過篩後得樣品。用本發明製備的納米SiO2粉體的優點有1、生產工藝簡單，過程易於控制，成本 低，容易擴大到工業生產規模；2、平均粒徑可達19. 5nm，粒徑分布窄，分布在10 40nm，純 度高。3、此方法可以製備純納米SiO2或有機改性的納米Si02。4、此方法的進料方式為並 流式進料，採用流量計控制進料速度和反應體系的PH值，而且進料和出料同時進行，可以 連續長時間合成，容易實現工業化生產。5、乾燥溫度低，保存了表面羥基不被破壞，乾燥後 的二氧化矽為輕質疏鬆的塊狀物或粉體，不需要焙燒和球磨。本發明所用原料成本低廉、反 應裝置結構簡單投資少、工藝簡單易行，可在常溫下進行，產量大，可實現大批量生產，可廣 泛使用於塑料、橡膠、黏合劑、塗料及油墨等製品中，具有極高的實用價值。
圖1是納米SiO2的透射電鏡照片；圖2是納米SiO2粒徑分析譜圖；圖3是納米SiO2的X-射線衍射圖；其中a為純納米Si02、b為改性納米Si02。
具體實施例方式下面，詳細描述本發明的具體實施方式
。本發明是採用複合剪切力場來製備納米二氧化矽，它的具體製備步驟為第一步，配製濃度為80 100g/L的矽酸鈉溶液作為A液，質量濃度為10 30% 的沉澱劑為B液，質量濃度為10 30%的表面活性劑和質量濃度為20% 40%氯化鈉的 混合液為C液，質量濃度為10 20g/L的改性劑為D液；第二步，分兩種情況，一是製備純納米二氧化矽，在室溫下，將配好的反應液A、B、 質量濃度為20% 40%氯化鈉溶液分別倒入料筒，按三個進料管向自製反應裝置中以一 定速度進料，同時由進氣管向反應裝置內通入氣體，在複合剪切力場下高速攪拌，並控制反 應體系的PH值，反應液同時滴加完後繼續攪拌IOmin ；二是製備有機改性納米二氧化矽，在 室溫下，將配好的反應液A、B、C、D分別倒入料筒，按四個進料管向自製反應裝置中以一定 速度進料，同時由進氣管向反應裝置內通入氣體，在複合剪切力場下高速攪拌，並控制反應 體系的PH值，反應液同時滴加完後繼續攪拌IOmin ；第三步，將乳白色反應液沉降，陳化24h後抽濾，洗滌至無氯離子，然後經乾燥，得 到二氧化矽；第四步，粉碎，過篩後得樣品。本發明中，沉澱劑採用鹽酸、硫酸或硝酸；表面活性劑採用油酸、聚乙二醇；改性 劑採用矽烷偶聯劑、酞酸酯偶聯劑。
表面活性劑、改性劑、氯化鈉的加入量，以按理論計算製備納米二氧化矽的質量為 參考，表面活性劑加入的質量為二氧化矽質量的3% 30%;改性劑加入的質量為二氧化矽 質量的 10% ；氯化鈉加入的質量為二氧化矽質量的100% 200%。進料方式採用並流式進料，而且進料和出料同時進行，反應體系的PH值控制在 7. 5 10。複合剪切力場的攪拌速度為1000 6000r/min。通入氣體的流量為1 7KPa。 通過控制氣體流量和複合剪切場的攪拌速度來控制納米粒子的粒徑。乾燥條件為80 110°C，在真空或空氣中乾燥16 24h。實施例1將280g矽酸鈉溶解於由1600ml去離子水與400ml無水乙醇配置的混合液中為A 液；一定量20%的鹽酸溶液為B液；20%的氯化鈉溶液320ml為C液；室溫下，將配好的反 應液分別倒入料筒，按四個進料管並流式向自製反應裝置中以一定速度進料，同時由進氣 管向反應裝置內通入氣體(氣流量4KPa)，高速攪拌(6000r/min)並控制反應體系的PH = 8 9，在一個複合剪切力場中合成納米Si02。反應液同時滴加完後繼續攪拌lOmin，將乳白 色反應液倒入燒杯中沉降，陳化24h後抽濾，洗滌至無氯離子，然後90°C真空乾燥24h，得到 白色輕質疏鬆的純納米SiO2塊狀物或粉體。粉碎，過篩後得產品。產品平均粒徑為21nm。實施例2在實施例1的基礎上，在C液中加入20%的聚乙二醇60ml，其它條件與實施方法 與實施例1相同。製備表面活性劑聚乙二醇改性的納米Si02。實施例3在實施例1的基礎上，將15g/L的已水解的矽烷偶聯劑KH570為D液；同時並流式 進料，其它條件與實施方法與實施例1相同。製備偶聯劑改性的納米Si02。實施例4在實施例1的基礎上，在C液中加入20%的聚乙二醇60ml，將15g/L的已水解的 矽烷偶聯劑KH570為D液；同時並流式進料，其它條件與實施方法與實施例1相同。製備表 面活性劑和偶聯劑複合改性的納米Si02。產品平均粒徑為19.5nm。實施例5在實施例4的基礎上，將攪拌速度調為6000r/min，其它條件與實施方法與實施例 4相同。產品平均粒徑為52nm。實施例6在實施例4的基礎上，將氣流量調為2KPa，其它條件與實施方法與實施例4相同。 產品平均粒徑為60nm。
權利要求
一種製備納米二氧化矽的方法，其特徵在於，它是採用複合剪切力場來製備納米二氧化矽，它的具體製備步驟為第一步，配製濃度為80～100g/L的矽酸鈉溶液作為A液，質量濃度為10～30％的沉澱劑為B液，質量濃度為10～30％的表面活性劑和質量濃度為20％～40％氯化鈉的混合液為C液，質量濃度為10～20g/L的改性劑為D液；第二步，分兩種情況，一是製備純納米二氧化矽，在室溫下，將配好的反應液A、B、質量濃度為20％～40％氯化鈉溶液分別倒入料筒，按三個進料管向自製反應裝置中以一定速度進料，同時由進氣管向反應裝置內通入氣體，在複合剪切力場下高速攪拌，並控制反應體系的PH值，反應液同時滴加完後繼續攪拌10min；二是製備有機改性納米二氧化矽，在室溫下，將配好的反應液A、B、C、D分別倒入料筒，按四個進料管向自製反應裝置中以一定速度進料，同時由進氣管向反應裝置內通入氣體，在複合剪切力場下高速攪拌，並控制反應體系的PH值，反應液同時滴加完後繼續攪拌10min；第三步，將乳白色反應液沉降，陳化24h後抽濾，洗滌至無氯離子，然後經乾燥，得到二氧化矽；第四步，粉碎，過篩後得樣品。
2.根據權利要求1所述的一種製備納米二氧化矽的方法，其特徵在於所述的沉澱劑為 鹽酸、硫酸或硝酸；表面活性劑為油酸、聚乙二醇；改性劑為矽烷偶聯劑、酞酸酯偶聯劑。
3.根據權利要求1所述的一種製備納米二氧化矽的方法，其特徵在於所述的表面活 性劑、改性劑、氯化鈉的加入量，以按理論計算製備納米二氧化矽的質量為參考，表面活性 劑加入的質量為二氧化矽質量的3% 30% ；改性劑加入的質量為二氧化矽質量的 10% ；氯化鈉加入的質量為二氧化矽質量的100% 200%。
4.根據權利要求1所述的一種製備納米二氧化矽的方法，其特徵在於所述的進料方式 為並流式進料，而且進料和出料同時進行，反應體系的PH值控制在7. 5 10。
5.根據權利要求1所述的一種製備納米二氧化矽的方法，其特徵在於所述的複合剪切 力場的攪拌速度為1000 6000r/min。
6.根據權利要求1所述的一種製備納米二氧化矽的方法，其特徵在於所述通入氣體的 流量為1 7KPa。
7.根據權利要求1所述的一種製備納米二氧化矽的方法，其特徵在於通過控制氣體 流量和複合剪切場的攪拌速度來控制納米粒子的粒徑。
8.根據權利要求1所述的一種製備納米二氧化矽的方法，其特徵在於所述乾燥條件為 80 110°C，在真空或空氣中乾燥16 24h。
全文摘要
本發明涉及一種製備納米SiO2的方法。它是採用複合剪切力場來製備納米二氧化矽，具體步驟為第一步，矽酸鈉溶液作為A液，沉澱劑為B液，表面活性劑和氯化鈉的混合液為C液，改性劑為D液；第二步，在室溫下，將配好的反應液A、B、C、D分別倒入料筒，同時通入氣體，在複合剪切力場攪拌下，並控制反應體系的pH值進行反應；第三步，將乳白色反應液沉降，陳化24h後抽濾，洗滌至無氯離子，然後經乾燥，得到二氧化矽；第四步，粉碎，過篩後得樣品。本發明所用原料成本低廉、反應裝置結構簡單投資少、工藝簡單易行，可在常溫下進行，產量大，可實現大批量生產，可廣泛使用於塑料、橡膠、黏合劑、塗料及油墨等製品中，具有極高的實用價值。
文檔編號B82B3/00GK101817532SQ20101014125
公開日2010年9月1日 申請日期2010年4月8日 優先權日2010年4月8日
發明者劉亦武, 劉躍軍, 闕永生, 魏珊珊 申請人:湖南工業大學