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纳米球形二氧化硅的制备工艺进展

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第42卷第24期 2014年12月 广州化工 Vo1.42 No.24 DeC.2014 Guangzhou Chemical Industry 纳米球形二氧化硅的制备工艺进展 陈荣芳,吕剑明 (贵州大学化学与化工学院,贵州 贵阳550003) 摘 要:硅微粉的纳米球形化是提高硅微粉应用性能和实用价值的技术手段之一,并且由于其优异的使用性能而具有广阔 的发展前景。因此,硅微粉的纳米球形化已成为粉体材料研究的热点。本文通过介绍纳米球形硅微粉的制备方法,主要包括高温 熔融法、等离子体法、化学沉淀法、溶胶一凝胶法、微乳液法和气相法等,并对其制备工艺进行了比较详细的描述,同时对其发展 趋势作了简要的分析。 关键词:纳米;球形SiO2;制备;工艺 中图分类号:TD985 文献标志码:A 文章编号:1001—9677(2014)024—0027—03 Progress in Preparation Technology of Nanometer Spherical Silica CHEN Rong-fang,LV Jian—ming (School of Chemistry and Chemical Engineering,Guizhou University,Guizhou Guiyang 550003,China) Abstract:Nanometer spherical silica powder was one of the means to improve technology of silicon powder application performance and practical value. Because of its excellent performance.it had broad prospects f0r development.Therefore,the nanometer spherical silica powder became the research focus of powder materia1.Through the preparation of nanometer spherical silica powder,including high temperature melting method,plasma method,chemical precipitation method,s0l—gel method,microemulsion method and gas phase method and SO on,its preparing process were described in detail,and the trend of its development was briefly analyzed. Key words:nanometer;spherical SiO2;preparation;process 纳米球形硅微粉(SiO )是一种无毒、无味、无污染的无 定型白色粉末,粒径通常为20—200 nm,由于其具备粒径小、 纯度高、分散性好、比表面积大、导热系数低、热膨胀系数 低、化学性能稳定、耐腐蚀等优越性能而具有广阔的发展前 景。球形硅微粉主要应用于大规模集成电路封装,在航空、航 天、涂料、油漆、粘结剂、催化剂、医药、精密铸造、高档陶 瓷、高压元器件及日用化妆品等高新技术领域也有应用 。 因此,硅微粉的纳米球形化已成为粉体材料研究的关键点。 1.1.2等离子体法 等离子体法是将硅微粉在等离子矩的高温场中熔化、气 化,然后在快速冷却过程中形成球形颗粒 。 王翔等 采用不含水分,未经偶联剂处理的角形结晶型或 熔融型硅微粉作为原料,然后给高频等离子体发生器输入功率 为100 kW,产生4000—7 000 oC的高温气体作为热源,最后将 二氧化硅粉体通过给料器从顶部输送到等离子反应炉弧区内, 粉体受热熔化和气化,经特制的骤冷器进行淬冷,再经重力收 集,在1~2 s内,就可得到球状纳米级SiO 粉体。 1 纳米球形SiO 的制备方法 目前,制备纳米级球形SiO:的方法有很多种,主要可分为 固、液、气相三类。固相法主要包括高温熔融法和等离子体 法;液相法主要包括化学沉淀法、溶胶一凝胶法和微乳液法; 气相法。 闫世凯等 采用机械粉碎法制备的二氧化硅粉体作原料, 该颗粒形状极不规则。然后建立稳定的氩一空气等离子弧,将 原料粉体颗粒用载气(N:)经加料枪喷入等离子体弧中。颗粒在 弧内吸收大量的热而迅速融化,并以极高的速度进入反应器冷 却凝固后,再进入收料器中收集起来,在适当的条件下即可得 到球化率高、球形度好的粉体。 1.1 固相法 1.1.1高温熔融法 高温熔融喷射法 是将高纯度石英在2 100~2 500 oC下熔融 为液体,经过喷雾、冷却,得到球形硅微粉,产品表面光滑,球 形化率和非晶形率均可达到100%。据调研,美国的球形硅微粉 主要采用此法生产的,由于涉及到高性能计算机技术,他们对 外严密封锁。目前国内尚未见这方面研究和生产的报道。 1.2液相法 1.2.1化学沉淀法 沉淀法制备SiO,是以水玻璃和酸化剂为原料,适时加入表 面活性剂同时控制反应温度,在溶液到达一定pH值时加入稳定 剂,所得沉淀经洗涤、干燥、煅烧后即得纳米球形SiO 粉末。 韩静香等 采用硅酸钠为硅源,氯化铵为沉淀剂制备粒径 作者简介:陈荣芳(1990一),女,硕士研究生,主要从事无机非金属材料开发和应用。 通讯作者:吕剑明(1957一),男,副教授,主要从事无机非金属材料的研究开发和应用。 28 广州化工 2014年12月 为5~8 nm分散性好的无定形态纳米球形二氧化硅。 配制乙醇与水体积比为1:8的乙醇水溶液,称取一定质 量的硅酸钠溶解于乙醇水溶液中,加入一定量十六烷基三甲基 溴化铵(CTAB)在里面。然后配置浓度为1.5 mol/L的氯化铵溶 液并将其放置于恒温磁力搅拌器上,温度控制在40℃,接着 向氯化铵溶液中缓慢滴入浓度为0.4 mol/L硅酸钠溶液,直至 达到pH值为8.5时,继续搅拌反应1 h,用混合CTAB的乙醇 水溶液离心洗涤所得沉淀,最后将其置于烘箱于100℃烘干, 再用马弗炉煅烧。 异丙醇、二次蒸馏水、氨水按一定配比混合均匀后置于烧瓶 中,将烧瓶固定在微波反应仪中,打开搅拌器,升温至60℃, 待温度稳定,逐滴加入TEOS,滴加完毕后继续搅拌30 min, 反应结束后,将产物离心分离,将固体物质水洗至中性,再用 无水乙醇洗涤两次,干燥即得二氧化硅微粉。该微粉颗粒为规 则均匀的球形,表面光滑,粒径150 nm,颗粒分散性良好。 旦辉等 以价格低廉天然优质粉石英矿物为基本原料,采 用改进溶胶一凝胶技术,盐酸和硅酸钠溶液共同滴加的方式, 制备出的高纯纳米SiO 粉体,平均粒径在50~80 nm,分散性 好,呈无定性结构。 ‘ 首先对石英矿进行提纯处理,再将粉石英原料与碳酸钠以 王晓英等 以浓H2s0 与Na ̄SiO ・9H O为原料,放人一 定量的Na:SiO,・9H2O在三颈瓶中,加入适量的蒸馏水使其完 全溶解,然后慢慢滴加浓H,s0 ,并同时加入分散剂Na2SO 溶 液和表面活性剂PEG6000,在反应的同时进行搅拌;在反应结 束后继续滴加浓H:s0 并加入分散剂;将反应的浆料在三颈瓶 中熟化1 h,熟化后的反应物进行抽滤洗涤,最后将滤饼放人 烘箱80℃烘干,并把烘干的产物放人马弗炉中450 oC煅烧, 将煅烧后的产物研磨成粉末,即获得高分散的纳米二氧化硅粒 子呈球形,粒径在50~100 nm范围内、分布均匀、呈无定形。 张龙等 以硅酸钠为原料,乙酸乙酯为沉淀剂,无水乙醇 为分散剂,复配型表面活性剂为结调控剂,常温反应制备球形 二氧化硅微粉;加入一定浓度的硅酸钠溶液到250 mL四口烧 瓶中,在常温下按一定比例向体系中加入适量的表面活性剂, 按一定的速度搅拌均匀后,加入一定量的乙酸乙酯,用pH计 记录体系pH值的变化,反应一段时间后抽滤,用去离子水、 无水乙醇将滤饼各洗3次;然后室温下真空干燥5 h,再在马 弗炉中500℃恒温煅烧2 h得到球形二氧化硅微粉,其平均粒 径400 nm,最高产率93.8%。 廖亮清等 以廉价的水玻璃为主要原料,采用化学共沉淀法 制备纳米二氧化硅,添加一定量的表面活性剂,进行沉淀反应。 将配制好的基液A(氯化钠、硫酸、氨水、OP按一定的 比例配制的混合溶液)按一定量装入烧杯中,然后B基液(氯 代十六烷基吡啶和硫酸按一定的比例配制的混合溶液)和C基 液(十二烷基苯璜酸钠和水玻璃按一定的比例配制的混合溶 液)按一定的速率同时滴入到基液A中,同时控制反应液的 pH值和反应体系的温度为5O℃左右,充分搅拌,速率控制在 90—120 r/min,发生反应生成絮状沉淀。待反应进行到一定程 度后,停止加入硅酸钠与氯化氨溶液,同时毋须搅拌,之后采 用高速离心机实施固液分离,其转速设定为6 000 r/min,对分 离后的固态物质用乙醇实施浸泡,并在半小时后将其取出,洗 净后再次实施离心操作,最后在设定温度为150℃烘箱中的进 行烘干,制得的二氧化硅粉体为近球形,其平均颗粒直径为 100 rim,平均表面积为1 148.9 m2/g。 1.2.2溶胶一凝胶法 溶胶一凝胶法 是加入酸使碱度降低从而诱发硅酸根的聚 合反应,使体系中以胶态粒子形式存在的高聚态硅酸根离子粒 径不断增大,形成具有乳光特征的硅溶胶。成溶胶后,SiO,胶 粒便通过表面吸附的水合Na 的桥联作用而凝聚形成硅凝胶, 进过过滤、干燥和煅烧后即得纳米粉体。 高慧等 以硅酸乙酯为原料,采用溶胶一凝胶法制备了纳 米二氧化硅;首先加入一定量的正硅酸乙酯和无水乙醇在烧杯 里,然后在恒温磁力搅拌下慢慢滴人蒸馏水、无水乙醇和适量 盐酸组成的}昆合溶液,形成溶胶后将其放人通风橱中1 h,变 为凝胶后,再放人干燥箱中干燥4 h,最后经过研磨,再放人 箱式电阻炉中以700℃煅烧3 h,得到二氧化硅粉体。 申晓毅等 以正硅酸乙酯为原料,氨水作催化剂,采用溶 胶一凝胶法在醇一水一氨体系中制备了单分散球形SiO 微粉;将 1:1的摩尔比混合,置于马弗炉中,900—950℃下熔融反应 0.5~1 h得固体硅酸钠,将制得的固体硅酸钠经煮沸溶解得到 水玻璃溶液;然后按氨水浓度1.0 mol/L,无水乙醇浓度 2.4 mol/L,PEG用量2.0 g/L配制基液,滴加盐酸调节基液 pH值在9-+0.2,范围;最后,在恒温水浴条件下,将浓度为 2.4 mol/L的盐酸溶液和浓度为0.2 molZL水玻璃溶液一起缓慢 滴加到基液中,并调节盐酸和水玻璃溶液的滴定速度,使pH 值维持在9-+0.2同时强力搅拌,逐步形成硅凝胶粒子悬浮液。 将硅凝胶粒子悬浮液在80℃恒温熟化2~3 h,过滤,并用热 蒸馏水洗涤滤饼(SiO )数次,将滤饼60℃烘干,在550℃煅 烧0.5 h即制得高纯球形纳米SiO 1.2.3微乳液法 微乳液法”,一是利用两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作 用下形成均匀的乳液,使成核、生产、聚结、团聚等过程局限在 一个微小的球形液滴内,从乳液中析出固相,形成球形颗粒。 骆锋等 以硅酸盐溶液、环己烷、聚乙二醇辛基苯基醚和 正戊醇体系的徽乳液反应为基础,以浓硫酸为沉淀剂,采用微 乳液法制备了高比表面积纳米SiO 粉体,粉体颗粒形貌近似呈 球形,粒径为15—35 nm,比表面积达580~630 m /g。 首先称取一定量的Na SiO ・9H O,加入去离子水,配成 一定浓度的溶液。将一定量正戊醇和OP乳化剂(质量比为l:2) 混合,加入环己烷和硅酸钠盐溶液在室温下混合,之后用超声 波振荡15—30 rain,并分散成均匀的微乳液。之后滴入浓 H2s0 ,并不断搅拌,当体系的pH值到1~2时,反应一段时 间,使沉淀充分进行至微乳液并成为凝胶。最后,用无水乙醇 充分洗涤凝胶,洗涤产物经共沸蒸馏和真空干燥后,在马弗炉 内于700℃下锻烧3 h,,即得到白色纳米SiO,粉末。 朱振峰等 采用TritonX一100、正己醇、环己烷和氨水体 系配制反相微乳液,在碱性条件下正硅酸乙酯在反相微乳液中 发生受控水解,合成了具有无定形结构的球形二氧化硅纳米粒 子,粒度均匀且呈现出良好的分散性。 在室温下,按一定体积比将TritonX一100和正己醇混合,再 与一定量的环己烷混合,不断搅拌的同时向该混合物中缓慢滴 加氨水溶液,并在10 min内滴加一定量的正硅酸乙酯于微乳液 中。反应4 h后,加入适量的丙酮破乳,静置30 min,就可看见 白色絮状沉淀物,用无水乙醇洗涤并离心分离。白色凝胶状物 质在110℃干燥4 h,将所得白色疏松粉末放置于马弗炉中 700℃煅烧并保温45 min,即可得无定形白色纳米SiO,粉末。 1.3气相法 气相二氧化硅通过氯硅烷在氢氧焰中高温水解缩聚而生成 二氧化硅粒子,然后经过骤冷,颗粒骤聚、气固分离、脱酸等 后处理工艺而获得。该粒子是一种无定性粉体,其原生粒子的 粒径平均范围在7~40 nm,比表面积50—380 m /g 。 吴利民等 采用有机硅单体副产物甲基三氯硅烷作为生产 原料,利用气相法生成出纯度大于99.8%、比表面积为100~ 第42卷第24期 400 in /g、折光率为1.46。 陈荣芳,等:纳米球形二氧化硅的制备工艺进展 29 [7]韩静香,佘利娟,翟立新,等.化学沉淀法制备纳米二氧化硅[J]. 硅酸盐通报,2010(3):681-685. 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