超細矽粉製備高濃度二氧化矽溶膠的方法
2023-05-20 11:48:26 2
專利名稱：超細矽粉製備高濃度二氧化矽溶膠的方法
技術領域：
本發明屬於廢物利用及矽的化合物的製備方法，涉及一種超細矽粉製備高濃度二 氧化矽溶膠的方法。適用於採用超細矽粉，特別是純度為97%-99%、粒度為500-2000目 的廢棄的矽粉來製備高濃度二氧化矽溶膠。
背景技術：
矽溶膠(即二氧化矽溶膠)又稱膠體二氧化矽(Colloidal Silica)，是一種白色 或微帶藍色乳光的膠體溶液，其主要成分是膠體形態的水合二氧化矽，分子式可表示為m Si02*nH20。矽溶膠的一般濃度為25% (以二氧化矽的重量百分含量計，後同)，濃度在 30%以上的矽溶膠稱為高濃度矽溶膠。矽溶膠具有許多優良性質，如大比表面、高吸附性、 高分散度、高耐火絕緣性、高耐溫抗氧化性等；從二十世紀40年代以來，矽溶膠作為一種用 途廣泛的無機矽化合物在催化劑載體、精鑄陶瓷殼型無機塗層和塗料、紡織/造紙工業、電 子工業等眾多領域內得到了應用。現有技術中，矽溶膠的製備方法主要有直接酸化法、離子交換法、膠溶法、矽化合 物水解法、單質矽溶解法、熱解矽分散法等。其中直接酸化法製備的矽溶膠穩定性差；離 子交換法工藝複雜，能源耗費大，對環境影響嚴重；膠溶法要求條件高；熱解矽分散法能耗 大；採用單質矽溶解法製備矽溶膠，因具有生產工藝較簡單、產品雜質含量少、產品純度較 高、穩定性好、設備投資較少、生產周期較短、廢水排放少等優點，是近年來興起的一種製備 矽溶膠的新工藝、並得到越來越多的研究和運用。就單質矽溶解法而言，現有技術一般採用純度99%以上、粒度為200目的單質矽 來製備矽溶膠，所得矽溶膠的濃度也在30%以下。並且由於現有技術中鹼液加入方式一般 為一步加入法，此種方法對於粒度較細的矽粉反應效果較差，原因在於單質矽溶解法製備 矽溶膠的反應機理主要有以下幾步①0H-與矽酸分子結合成負價的矽酸離子，②得到的 矽酸離子與矽酸分子生成矽酸二聚體，③矽酸二聚體繼續與矽酸離子反應，直至形成多矽 酸，進而形成矽溶膠；在一步加入鹼液法中若矽粉粒度較細則其比表面積較大，反應較為劇 烈。從上述反應機理可知在步驟②的反應過程中Off濃度較低時、步驟②反應得到加快， 從而有利於矽溶膠的生成；而當反應較為劇烈時，即溶液中0H—離子濃度較大時，則主要在 進行第①步反應，步驟②相對減緩，從而不利於溶膠生成。現有有機矽單體(例如甲基氯矽烷單體)的生產過程，主要是採用沸騰床反應器 直接合成甲基氯矽烷單體，即矽粉與氯甲烷在催化劑作用下高溫反應生成甲基氯矽烷混合 物，經高效分餾獲取目的餾分。有機矽單體生產中的副產物種類較多，經催化裂解、轉化反 應等資源再利用處理後還剩餘部分未反應矽粉，而該回收矽粉(即超細矽粉)雖然其純度 仍在97% -99%之間、但由於均勻性等方面性能不適合再進行有機矽單體的生產，目前因 尚無有效的回收利用方式而被大量廢棄。
發明內容
本發明的目的旨在克服上述現有技術中的不足，以有機矽單體生產中回收的超細 矽粉為原料，通過控制反應過程中液相的鹼度等，提供一種成本低、產品性能好的超細矽粉 製備高濃度二氧化矽溶膠的方法。本發明的內容是一種超細矽粉製備高濃度二氧化矽溶膠的方法，其特徵是包括 下列步驟a、原料預熱取純度為97% -99% (即原料矽粉中矽的質量百分比含量為 97% -99% )、粒度為500-2000目的矽粉20-25質量份，加入100-200質量份的去離子水， 在50-60°C的溫度下加熱10-30分鐘，使矽粉活化，得矽粉與水的混合液；b、鹼液配置取質量百分比濃度為0. 16 % -0. 96 %的氫氧化鈉水溶液50-100質量份；c、鹼度控制下攪拌反應在70-90°C的溫度下，攪拌下分次將氫氧化鈉水溶液逐 漸加入到矽粉與水的混合液中、並控制反應液的pH值為8. 5-10. 0，整個攪拌反應的時間為 6-8小時；d、靜置將反應後的物料置於室溫下靜置8-12小時；e、抽濾將靜置後的物料經減壓抽濾，棄去濾渣，濾液即製得的高濃度二氧化矽溶 膠。本發明的內容中所述步驟b和步驟c可以替換為b、鹼液配置按水玻璃氨水為1 1-3的質量比例取水玻璃(即矽酸鈉，Sodium silicate)和質量百分比濃度為10% -20%的氨水、混合，配製成50-100質量份的混合鹼 液；c、鹼度控制下攪拌反應在70-90°C的溫度下，攪拌下分次將混合鹼液逐漸加入 到矽粉與水的混合液中、並控制反應液的pH值為8. 5-10. 0，整個攪拌反應的時間為6-8小 時。本發明的內容中所述水玻璃的模數較好的為2. 6-2. 9(例如模數為2. 8)。本發明的反應機理單質矽粉在pH值為8. 5-10. 0的鹼性條件下，與水反應生成水 合矽酸單體，單體聚合後便是矽溶膠；反應方程式為Si+20r+H20-Si0:+2H2 個SiO 廣+H20-Si02+20rm Si+(2m+n)H20-m Si02 nH20+2mH2 個與現有技術相比，本發明具有下列特點和有益效果(1)本發明採用有機矽單體生產中廢棄的純度為97% -99%、粒度為500-2000目 的超細矽粉為原料，製備出性能良好、滿足現行國家標準要求的的矽溶膠，拓寬了矽溶膠製 備所需原料的來源，在資源回收及綜合利用方面起到了積極的作用；(2)本發明方法通過鹼液的分步加入、並同時控制反應過程中液相的鹼度，即 分批加入鹼液、同時整個反應過程中控制pH值在矽溶膠穩定存在的範圍內(即pH為 8. 5-10. 0這一範圍內)，這一措施避免了一次性加鹼造成鹼濃度過大而阻礙溶膠生成、促 進了矽粉與鹼液更好地接觸，從而使反應的進行更加充分完全；(3)本發明製得的矽溶膠濃度Si02%可達35%左右(以二氧化矽重量百分含量 計，按照HG/T2521-93測定)；收率均在80%以上；且製得的矽溶膠中的氧化鈉含量，％
4^0.3(按照HG/T2521-93測定)；波美度在15-20左右(由波美計測定)；粘度(25°C )在 7.0X10-3-25X10_3Pa· s範圍內(由旋轉粘度儀測定)，平均粒徑10-20nm範圍內(按照 HG/T2521-93測定)；矽溶膠pH值在8. 5-10. 0範圍內(由酸度計測定)，符合工業矽溶膠 的行業標準； 所述收率二仏卿2% xiooo/o； 妒 X 2.14286式中G為Si02%所得矽溶膠的質量(g)、W為矽粉的用量(g)、2. 14286為矽相當
於二氧化矽的質量轉化係數；(4)本發明方法具有現有單質矽溶解法製備矽溶膠工藝的優點，製備工藝簡單，容 易操作，變廢為寶，實用性強。
具體實施例方式下面給出的實施例擬以對本發明作進一步說明，但不能理解為是對本發明保護範 圍的限制，該領域的技術人員根據上述本發明的內容對本發明作出的一些非本質的改進和 調整，仍屬於本發明的保護範圍。實施例1 一種超細矽粉製備高濃度二氧化矽溶膠的方法，包括下列步驟將20g粒度約為1340目的單質矽粉和150ml去離子水加入到三口燒瓶中，加熱到 60°C，預熱20分鐘，使矽粉活化。取8g水玻璃和20ml濃度10 %的氨水溶液，加水稀釋至 50ml，攪拌均勻。將三口燒瓶置於90°C的恆溫水浴鍋中，先快速加入二分之一體積配置好 的混合溶液，三口燒瓶內用電動攪拌器進行攪拌，用酸度計監測三口燒瓶內PH值變化，此 時瓶內PH值為9. 7，每10分鐘測一次pH值，起初時pH值下降較快，pH值下降到8. 6時趨 於穩定，此時再採用滴加方式加入剩餘二分之一體積混合溶液，滴加操作在0. 5小時內完 成。滴加過程及滴加完成後的整個過程中都繼續對PH值進行測定，整個反應過程控制pH在 8. 5-10. 0範圍內。控制整個反應時間為8小時，整個過程均使用電動攪拌器攪拌，在90°C 恆溫水浴鍋內進行。反應結束後將三口燒瓶室溫靜置8小時，減壓抽濾得到矽溶膠，剩餘未 反應矽粉可回收利用。所得矽溶膠PH值為9. 2，粒徑為13. 26nm，粘度為10 X10_3Pa · s，波 美度為17，SiO2含量為32. 01%，Na2O含量為0. 13%^ 0. 30%，收率為82%。實施例2 將25g粒度約為2000目的單質矽粉和150ml去離子水加入到三口燒瓶中，加熱 到50°C，預熱20分鐘，使矽粉活化。稱取0. 32g氫氧化鈉，加入IOOml去離子水配置成氫 氧化鈉溶液，攪拌均勻。將三口燒瓶置於90°C的恆溫水浴鍋中，先快速加入配置好的二分 之一體積氫氧化鈉溶液，三口燒瓶內用電動攪拌器進行攪拌，用酸度計監測三口燒瓶內PH 值變化，此時瓶內PH值為10. 5，每10分鐘測一次pH值，起初時pH值下降較快，pH值下降 到9. 1時趨於穩定，此時加入剩餘氫氧化鈉溶液，pH值上升較快接近10. 0，考慮到隨著反 應進行有部分水蒸發掉，PH值從而會增大，為了避免pH值超過10. 0，故此時加入適量去離 子水，同時對PH值進行監測。控制總反應時長為8小時，反應溫度90°C，整個反應過程控 制pH在8. 5-10. 0範圍內，整個過程均使用電動攪拌器攪拌。反應結束後將三口燒瓶靜置8小時，減壓抽濾得到矽溶膠，剩餘未反應矽粉可回收利用。所得矽溶膠pH值為9. 73，粒徑為 16. 59nm，粘度為 14X ICT3Pa · s，波美度為 18，SiO2 含量為 35. 06%, Na2O 含量為 0. 19% 彡0. 30%，收率為84%。實施例3 將20g粒度約為2000目的單質矽粉和150ml去離子水加入到三口燒瓶中，加熱 到50°C，預熱10分鐘，使矽粉活化。稱取0. 24g氫氧化鈉，加入50ml去離子水配置成氫氧 化鈉溶液，攪拌均勻。將三口燒瓶置於90°C的恆溫水浴鍋中，先快速加入配置好的氫氧化 鈉溶液25ml，三口燒瓶內用電動攪拌器進行攪拌，用酸度計監測三口燒瓶內pH值變化，此 時瓶內PH值為9. 3，每10分鐘測一次pH值，起初時pH值下降較快，pH值下降到8. 8時趨 於穩定，此時再採用滴加方式加入剩餘25ml氫氧化鈉溶液，滴加操作在0. 5小時內完成。 繼續調節控制PH在8. 5-10. 0之間。整個反應時長為8小時，整個過程均使用電動攪拌器 攪拌，且在90°C恆溫水浴鍋內進行。反應結束後將三口燒瓶室溫下靜置10小時，減壓抽濾 得到矽溶膠，剩餘未反應矽粉可回收利用。所得矽溶膠PH值為9. 4，粒徑為14.59nm，粘度 為9X ICT3Pa · s，波美度為16，SiO2含量為31. 15%, Na2O含量為0. 08%^ 0. 30%，收率為 82%。實施例4 將25g粒度約為1000目的單質矽粉和150ml去離子水加入到三口燒瓶中，加熱到 一定溫度，預熱20分鐘，使矽粉活化。取8g水玻璃和20ml濃度為10%的氨水溶液，加水 稀釋至80ml，攪拌均勻。將三口燒瓶置於90°C的恆溫水浴鍋中，先快速加入二分之一體積 的混合溶液，三口燒瓶內用電動攪拌器進行攪拌，用酸度計監測三口燒瓶內PH值變化，此 時瓶內PH值為9. 7，每10分鐘測一次pH值，起初時pH值下降較快，pH值下降到8. 6時趨 於穩定，此時再採用滴加方式加入剩餘混合溶液，滴加操作在0. 5小時內完成。滴加過程及 滴加完成後的整個過程中都繼續對PH值進行測定，整個反應過程控制pH在8. 5-10. 0範圍 內。整個反應過程時長7小時，整個過程均使用電動攪拌器攪拌，且在90°C恆溫水浴鍋內 進行。反應結束後將三口燒瓶靜置8小時，減壓抽濾得到矽溶膠，剩餘未反應矽粉可回收利 用。所得矽溶膠PH值為9. 69，粒徑為13. 12nm，粘度為9X10_3Pa · s，波美度為16，SiO2含 量為 32. 01%，Na2O 含量為 0. 13%^ 0. 30%，收率為 81%。實施例5 將20g粒度約為500目的單質矽粉和150ml去離子水加入到三口燒瓶中，加熱到 550C，預熱20分鐘，使矽粉活化。稱取0. 16g氫氧化鈉，加入IOOml去離子水配置成氫氧化 鈉溶液，攪拌均勻。將三口燒瓶置於90°C的恆溫水浴鍋中，先快速加入配置好的二分之一 體積氫氧化鈉溶液，三口燒瓶內用電動攪拌器進行攪拌，用酸度計監測三口燒瓶內PH值變 化，此時瓶內PH值為9. 4，每10分鐘測一次pH值，起初時pH值下降較快，pH值下降到8. 7 時趨於穩定，此時再採用滴加方式加入剩餘25ml氫氧化鈉溶液，滴加操作在0. 5小時內完 成。滴加完剩餘鹼液後PH值上升較快，加入去離子水調節pH在8. 5-10.0之間。整個反應 時長為8小時，整個過程均使用電動攪拌器攪拌，且在90°C恆溫水浴鍋內進行。反應結束 後將三口燒瓶靜置8小時，減壓抽濾得到矽溶膠，剩餘未反應矽粉可回收利用。所得矽溶膠 PH值為9. 3，粒徑為12. 23nm，粘度為8 X ICT3Pa · s，波美度為15，SiO2含量為30. 37%, Na2O 含量為0. 08%^ 0. 30%，收率為80%。
實施例6 一種超細矽粉製備高濃度二氧化矽溶膠的方法，包括下列步驟a、原料預熱取純度為97% -99% (即原料矽粉中矽的質量百分比含量為 97% -99%，後同)、粒度為500-2000目的矽粉20質量份(單位可以是千克，後同)，加入 100質量份的去離子水，在50-60°C的溫度下加熱10分鐘，使矽粉活化，得矽粉與水的混合 液；b、鹼液配置取質量百分比濃度為0. 16%的氫氧化鈉水溶液50質量份；C、鹼度控制下攪拌反應在70-90°C的溫度下，攪拌下分次將氫氧化鈉水溶液逐 漸加入到矽粉與水的混合液中、並控制反應液的PH值為8. 5-10. 0，整個攪拌反應的時間為 6小時；d、靜置將反應後的物料置於室溫下靜置8小時；e、抽濾將靜置後的物料經減壓抽濾，棄去濾渣，濾液即製得的高濃度二氧化矽溶 膠。實施例7 一種超細矽粉製備高濃度二氧化矽溶膠的方法，包括下列步驟a、原料預熱取純度為97%-99%、粒度為500-2000目的矽粉25質量份，加入200 質量份的去離子水，在50-60°C的溫度下加熱30分鐘，使矽粉活化，得矽粉與水的混合液；b、鹼液配置取質量百分比濃度為0. 96%的氫氧化鈉水溶液100質量份；C、鹼度控制下攪拌反應在70_90°C的溫度下，攪拌下分次將氫氧化鈉水溶液逐 漸加入到矽粉與水的混合液中、並控制反應液的pH值為8. 5-10. 0，整個攪拌反應的時間為 8小時；d、靜置將反應後的物料置於室溫下靜置12小時；
e、抽濾將靜置後的物料經減壓抽濾，棄去濾渣，濾液即製得的高濃度二氧化矽溶 膠。實施例8 一種超細矽粉製備高濃度二氧化矽溶膠的方法，包括下列步驟a、原料預熱取純度為97%-99%、粒度為500-2000目的矽粉22質量份，加入150 質量份的去離子水，在50-60°C的溫度下加熱20分鐘，使矽粉活化，得矽粉與水的混合液；b、鹼液配置取質量百分比濃度為0. 56%的氫氧化鈉水溶液80質量份；C、鹼度控制下攪拌反應在70_90°C的溫度下，攪拌下分次將氫氧化鈉水溶液逐 漸加入到矽粉與水的混合液中、並控制反應液的pH值為8. 5-10. 0，整個攪拌反應的時間為 7小時；d、靜置將反應後的物料置於室溫下靜置10小時；e、抽濾將靜置後的物料經減壓抽濾，棄去濾渣，濾液即製得的高濃度二氧化矽溶 膠。實施例9:一種超細矽粉製備高濃度二氧化矽溶膠的方法，包括下列步驟a、原料預熱取純度為97%-99%、粒度為500-2000目的矽粉21質量份，加入110 質量份的去離子水，在50-60°C的溫度下加熱12分鐘，使矽粉活化，得矽粉與水的混合液；
b、鹼液配置按水玻璃(模數為2. 8)氨水為1 1的質量比例取水玻璃(即矽 酸鈉，英文Sodium si licate，後同)和質量百分比濃度為10 %的氨水、混合，配製成50-100 質量份的混合鹼液； C、鹼度控制下攪拌反應在70_90°C的溫度下，攪拌下分次將混合鹼液逐漸加入 到矽粉與水的混合液中、並控制反應液的PH值為8. 5-10.0，整個攪拌反應的時間為6小時。d、靜置將反應後的物料置於室溫下靜置8小時；e、抽濾將靜置後的物料經減壓抽濾，棄去濾渣，濾液即製得的高濃度二氧化矽溶 膠。實施例10 一種超細矽粉製備高濃度二氧化矽溶膠的方法，包括下列步驟a、原料預熱取純度為97%-99%、粒度為500-2000目的矽粉24質量份，加入190 質量份的去離子水，在50-60°C的溫度下加熱26分鐘，使矽粉活化，得矽粉與水的混合液；b、鹼液配置按水玻璃(模數為2. 8)氨水為1 2的質量比例取水玻璃和質量 百分比濃度為20%的氨水、混合，配製成100質量份的混合鹼液；C、鹼度控制下攪拌反應在70_9(TC的溫度下，攪拌下分次將混合鹼液逐漸加入 到矽粉與水的混合液中、並控制反應液的PH值為8. 5-10.0，整個攪拌反應的時間為8小時。d、靜置將反應後的物料置於室溫下靜置12小時；e、抽濾將靜置後的物料經減壓抽濾，棄去濾渣，濾液即製得的高濃度二氧化矽溶 膠。實施例11 一種超細矽粉製備高濃度二氧化矽溶膠的方法，包括下列步驟a、原料預熱取純度為97%-99%、粒度為500-2000目的矽粉22質量份，加入150 質量份的去離子水，在50-60°C的溫度下加熱18分鐘，使矽粉活化，得矽粉與水的混合液；b、鹼液配置按水玻璃(模數為2. 8)氨水為1 3的質量比例取水玻璃和質量 百分比濃度為16%的氨水、混合，配製成70質量份的混合鹼液；C、鹼度控制下攪拌反應在70_90°C的溫度下，攪拌下分次將混合鹼液逐漸加入 到矽粉與水的混合液中、並控制反應液的PH值為8. 5-10.0，整個攪拌反應的時間為7小時。d、靜置將反應後的物料置於室溫下靜置10小時；e、抽濾將靜置後的物料經減壓抽濾，棄去濾渣，濾液即製得的高濃度二氧化矽溶 膠。上述實施例6-11製得的高濃度二氧化矽溶膠具有本發明內容部分所述良好性 能。上述實施例中所述水玻璃的模數也可以為2. 6-2. 9。上述實施例中所述矽粉在使用前可以在100-110°C的烘箱中烘乾。上述實施例中步驟e所述抽濾可反覆減壓抽濾幾次。本發明不限於上述實施例，本發明內容所述均可實施並具有所述良好效果。
權利要求
一種超細矽粉製備高濃度二氧化矽溶膠的方法，其特徵是包括下列步驟a、原料預熱取純度為97％-99％、粒度為500-2000目的矽粉20-25質量份，加入100-200質量份的去離子水，在50-60℃的溫度下加熱10-30分鐘，得矽粉與水的混合液；b、鹼液配置取質量百分比濃度為0.16％-0.96％的氫氧化鈉水溶液50-100質量份；c、鹼度控制下攪拌反應在70-90℃的溫度下，攪拌下分次將氫氧化鈉水溶液逐漸加入到矽粉與水的混合液中、並控制反應液的pH值為8.5-10.0，整個攪拌反應的時間為6-8小時；d、靜置將反應後的物料置於室溫下靜置8-12小時；e、抽濾將靜置後的物料經減壓抽濾，濾液即製得的高濃度二氧化矽溶膠。
2.按權利要求1所述的超細矽粉製備高濃度二氧化矽溶膠的方法，其特徵是所述步 驟b和步驟c替換為b、鹼液配置按水玻璃氨水為1 1-3的質量比例取水玻璃和質量百分比濃度為 10% 20%的氨水、混合，配製成50-100質量份的混合鹼液；c、鹼度控制下攪拌反應在70-90°C的溫度下，攪拌下分次將混合鹼液逐漸加入到矽 粉與水的混合液中、並控制反應液的PH值為8. 5-10. 0，整個攪拌反應的時間為6-8小時。
3.按權利要求2所述的超細矽粉製備高濃度二氧化矽溶膠的方法，其特徵是所述水 玻璃的模數為2. 6-2.9。
全文摘要
一種超細矽粉製備高濃度二氧化矽溶膠的方法，其特徵是包括取純度為97％-99％、粒度為500-2000目的矽粉20-25質量份，加入100-200質量份的去離子水，在50-60℃加熱10-30分鐘；再於70-90℃的溫度下、攪拌下分次將質量百分比濃度為0.16％-0.96％的氫氧化鈉水溶液加入到矽粉與水的混合液中、並控制反應液的pH值為8.5-10.0，整個攪拌反應的時間為6-8小時；然後於室溫下靜置8-12小時後減壓抽濾，即製得的高濃度二氧化矽溶膠。本發明採用有機矽單體生產中廢棄的超細矽粉為原料，製備出性能良好的高濃度矽溶膠，工藝簡單，實用性強。
文檔編號C01B33/14GK101857236SQ20101019142
公開日2010年10月13日 申請日期2010年6月4日 優先權日2010年6月4日
發明者嚴雲, 胡志華, 許可螢 申請人:西南科技大學