金屬元素摻雜二氧化矽鹼性納米溶膠及其製備方法與流程

2024-03-27 03:55:05

本發明涉及一種金屬元素摻雜二氧化矽鹼性納米溶膠的製備方法。

背景技術：

二氧化矽溶膠是溶膠-凝膠工藝中的一種重要膠體材料，其製備方法簡單，廣泛應用於催化劑、染料、製藥、電子和薄膜基底、絕緣體、溼敏器件等領域。它的基本成份是無定型的二氧化矽，其分子式為mSiO2·nH2O，以膠團形式均勻分散在水或有機溶劑中，外觀多呈乳白色或淡青透明的溶液狀。矽溶膠具有許多有益的物理化學性能：

1、矽溶膠具有較大的吸附性：矽溶膠中膠團聚合產生的許多網絡結構孔隙，在一定的條件下對無機物及有機物具有一定的吸附作用。

2、矽溶膠具有較大的比表面積：矽溶膠是一種特殊的納米材料，其膠粒粒徑一般為10～100nm，故具有較大的比表面積，一般可達到250-300m2/g。

3、矽溶膠具有較好的粘結性：其膠團尺寸均勻，自身風乾即產生一定的粘接強度，但強度較小。如將矽溶膠加入某種纖維或粒狀材料中，然後乾燥固化即可成堅硬的凝膠結構，會產生較大的粘接性，一般46.7Kg/cm2左右。

4、矽溶膠自身具有良好的絕緣性：一般電阻為8*105Ω但加入石墨等導電材料，又會具有一定的導電性。

5、矽溶膠具有較好的親水性和憎油性：可以用蒸餾水稀釋至任意濃度。而且隨稀釋度的增加而穩定性增強。但加入有機物或多種金屬離子後又可產生憎水性。

此外，矽溶膠具有「高度的分散性」，「較好的耐磨性」和良好的「透光性」等。正因為矽溶膠有這些性能，並且對人類和環境無害，近年來，塗料、粘接劑、耐火絕熱材料、陶瓷、紡織、冶金、精鑄、造紙、製藥等行業對矽溶膠的需要日益增大，特別是無機高分子建築塗料的興起，更為矽溶膠的大量應用，開闢了廣闊的市場。自1996年以來，隨著電子工業迅速發展，用作矽晶片拋光液原料的矽溶膠的量也快速增加。目前國內外專利和論文報導的摻雜矽溶膠中摻雜的元素主要有硼、磷、鋁、鎂、鐵、鑭等元素，其中鋁、鎂、鐵、鑭四種金屬元素摻雜矽溶膠主要應用於拋光液的生產，使用這些金屬元素摻雜的矽溶膠拋光器件一方面提高了去除速率，另一方面降低了器件表面的粗糙度。2014年楊訓成等人採用金屬單質溶解法將矽粉、鋁粉與氫氧化鈉反應合成了一種鋁改性矽溶膠並申請了專利。2015年上海大學的雷紅等人結合共沉澱法和離子交換法將鎂、鐵、鑭按一定比例摻入矽溶膠中合成拋光液並成功申請了3篇專利，其中鎂、鐵、鑭三種元素可以提高磨粒的化學作用，而磨粒的化學作用可提高拋光速率和材料的去除速率。

雖然以上兩種方法製備的金屬元素摻雜矽溶膠都具有很好的性能，並在拋光行業具有很好的應用前景，但是這兩種方法都存在一定的缺陷，金屬單質溶解法的耗能大，反應條件比較苛刻，離子交換法的生產流程複雜，生產效率低，改性溶膠的純度不足。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是提供一種金屬元素摻雜二氧化矽鹼性納米溶膠的製備方法，採用本發明方法製備的金屬元素摻雜二氧化矽鹼性納米溶膠具有良好的分散性和穩定性，可用於拋光液的生產原料和製備氣凝膠的原料。

為了解決上述技術問題，本發明提供一種金屬元素摻雜二氧化矽鹼性納米溶膠的製備方法，包括以下步驟：

1)、將六水氯化鋁、八水氧氯化鋯、六水氯化釔中的任意一種加入無水乙醇和水的混合溶液並均勻攪拌，得到混合溶液Ⅰ；所述無水乙醇和水的混合溶液中，水和無水乙醇的體積比為2～3：100；

2)、將濃氨水加入上述混合溶液Ⅰ中並均勻攪拌，得到混合溶液Ⅱ；所述濃氨水和步驟1)中的無水乙醇的體積比為2.8～3.1：100；濃氨水是指氨質量含量為25％～28％的氨水；

3)、於攪拌條件下，將正矽酸甲酯滴入上述混合溶液Ⅱ，滴加完畢後繼續攪拌3～5小時，得到金屬元素摻雜二氧化矽鹼性納米溶膠(簡稱納米溶膠)；所述正矽酸甲酯和步驟1)中的無水乙醇的體積比為2.9～3.2:100。

作為本發明的金屬元素摻雜二氧化矽鹼性納米溶膠的製備方法的改進：

所述六水氯化鋁、八水氧氯化鋯或六水氯化釔與正矽酸甲酯的摩爾比為0.05～0.25：1(較佳為0.1～0.2:1)。

作為本發明的金屬元素摻雜二氧化矽鹼性納米溶膠的製備方法的改進：

所述步驟3)中正矽酸甲酯的滴加時間為15～45分鐘。

作為本發明的金屬元素摻雜二氧化矽鹼性納米溶膠的製備方法的改進：步驟1)的攪拌時間為5～15分鐘，步驟2)的攪拌時間為10～20分鐘；步驟1)～步驟3)的攪拌速度均為100～200rpm。

本發明還提供了根據上述製備方法製成的金屬元素摻雜二氧化矽鹼性納米溶膠。

在本發明的製備方法中，六水氯化鋁作為鋁源，八水氧氯化鋯作為鋯源，六水氯化釔作為釔源。本發明以正矽酸甲酯、無水乙醇、濃氨水及去離子水為原料，正矽酸甲酯水解、聚合形成SiO2溶膠粒子，同時引入鋁、鋯或釔中任意一種金屬元素，金屬元素在無機SiO2溶膠網絡中均勻分布，從而製備得到金屬元素摻雜二氧化矽鹼性納米溶膠。

本發明的製備方法是發明人經過認真研究、實驗所獲得的。本發明採用溶膠-凝膠鹼催化法，引入金屬元素(通過引入金屬元素的前驅體參與反應來引入金屬元素)，製備得到金屬元素摻雜二氧化矽鹼性納米溶膠。該SiO2納米溶膠的固相含量為0.5％～2％，SiO2溶膠粒子的粒徑為30～80nm。

在本發明中，充分考慮到正矽酸甲酯本身水解快，矽含量高；鹼性條件下正矽酸甲酯水解快，縮聚慢，更易形成粒徑小分散性好的納米溶膠。

綜上所述，本發明採用溶膠-凝膠法製備鋁、鋯、釔三種金屬元素摻雜矽溶膠，這種方法具有操作簡單，反應條件要求低，耗能少，生產所得溶膠純度高，金屬元素和矽溶膠結合緊密、分布均勻，溶膠粒徑可調等多種優點，不僅在拋光行業具有很好的應用前景，而且可以用於製備複合氣凝膠的原料。

附圖說明

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步詳細說明。

圖1為實施例1製備的鋁摻雜二氧化矽鹼性納米溶膠透射電鏡照片。

圖2為實施例3製備的鋯摻雜二氧化矽鹼性納米溶膠透射電鏡照片。

圖3為實施例5製備的釔摻雜二氧化矽鹼性納米溶膠透射電鏡照片。

根據圖1～圖3，我們得知：三種金屬元素覆蓋在矽溶膠的表面；其中鋯摻雜矽溶膠的粒徑最小，分散性最好，鋁摻雜矽溶膠次之，釔摻雜矽溶膠較差。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明進行進一步描述，但本發明的保護範圍並不僅限於此。

下述實施例中：攪拌速度均為100～200rpm；濃氨水是指氨質量含量為26％的氨水。

實施例1、一種鋁摻雜二氧化矽鹼性納米溶膠的製備方法，依次進行以下步驟：

1)、將0.48克(0.002mol)六水氯化鋁加入到2.6毫升水和100毫升乙醇(無水乙醇)的混合溶液中並攪拌10分鐘，得到混合溶液Ⅰ；