一种超细纳米二氧化硅球的制备方法与流程

2021-01-30 23:01:06|

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本发明属于纳米材料领域，涉及一种超细纳米二氧化硅球的制备方法。

背景技术：

纳米二氧化硅是一种无机化工材料，在工业领域和科研领域中起着重要作用。由于其良好的光学性能、机械强度、耐热性及耐化学性质等，广泛应用于涂料颜料、玻璃陶瓷、塑料橡胶、药物医疗等行业。根据使用的方法不同，对二氧化硅的粒径尺寸的要求也存在差异。目前常见的生产纳米二氧化硅的方法主要有水解沉淀法，溶胶凝胶法和气相法等，得到的纳米二氧化硅球尺寸在20-100nm之间，甚至达到0.9μm(cn110589841a)。由于其尺寸较大，二氧化硅的比表面积通常较小。如何获得更低尺寸的纳米二氧化硅依然具有较大挑战。因为当二氧化硅尺寸越低时，颗粒表面引起较大的表面能使得二氧化硅很容易团聚，造成其颗粒堆积聚集。实现制备低尺寸二氧化硅纳米颗粒的同时保持其良好的分散性是要解决的主要问题。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明首次采用有机硅原料微乳液控制氨解法制取纳米二氧化硅球，通过对反应条件的调控，实现二氧化硅纳米粒径尺寸大小的控制。二氧化硅球粒径最小可以低至10nm左右，为目前合成的最小尺寸的二氧化硅球，且能够保持单颗粒均匀分散不团聚。该方法操作简单、便捷有效且成本低廉，有很大希望可以规模化生产。

本发明的目的在于提供一种超细纳米二氧化硅球的制备方法，该方法利用有机硅原料微乳液控制氨解法制取二氧化硅球，通过改变反应条件(浓度、温度、转速)来控制二氧化硅的粒径。为了实现上述目的，所采用的技术方案为：

一种超细纳米二氧化硅球的制备方法，包括如下步骤：

(1)恒温条件下，将碱性氨基酸溶于水，加入适量非极性溶剂搅拌混溶，待完全混溶后缓慢加入有机硅原料，采用机械搅拌器搅拌，得到二氧化硅悬浊液；

(2)对步骤(1)得到的二氧化硅悬浊液离心洗涤后烘干，得到沉淀物，将沉淀物研磨成粉末后，置于马弗炉中焙烧，得到所述的超细纳米二氧化硅球。

步骤(1)中，碱性氨基酸、水、非极性溶剂、有机硅原料的用量比例为1.0～2.0g：100～200ml：5～20ml：100～150ml。

步骤(1)中，所述碱性氨基酸为精氨酸、赖氨酸或组氨酸；非极性溶剂为甲苯、正己烷、戊烷或环己烷；有机硅原料为正硅酸乙酯异丙酯或原硅酸四乙酯。

进一步地，所述碱性氨基酸为赖氨酸；非极性溶剂为环己烷；有机硅原料为原硅酸四乙酯。

步骤(1)中，实验过程需要密封，防止非极性溶剂挥发，有机硅原料的加入速率为2～3ml/min，加入过程中不停搅拌。

步骤(1)中，恒温条件为：恒温水浴，温度为40～80℃。

步骤(1)中，使用机械搅拌器全程搅拌，搅拌速度为500～800r/min，搅拌时间为24-48h。

步骤(2)中，洗涤离心次数为2～3次，洗涤溶液为去离子水，离心速率为4000～7500r/min。

步骤(2)中，烘干温度为100～150℃，烘干的时间为8～15小时。

步骤(2)中，马弗炉焙烧的温度为500～700℃，焙烧时间为2～5小时。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明所述的一种超细纳米二氧化硅球的制备方法，制备的二氧化硅粒径较小，粒径最低可为10nm左右。

(2)本发明所述的一种超细纳米二氧化硅球的制备方法产率较高，操作简单，成本低廉，有很大希望可以扩大规模生产。

(3)本发明所述的一种超细纳米二氧化硅球的制备方法，可以通过改变制备条件来调整二氧化硅球的粒径，来满足不同尺寸的二氧化硅球应用于不同领域。

附图说明

图1为本发明实施例1所制备的纳米二氧化硅球的粒径分布图(a)和透射电镜图(b、c)。

图2为本发明实施例2所制备的纳米二氧化硅球的粒径分布图(a)和透射电镜图(b)。

图3为本发明实施例3所制备的纳米二氧化硅球的粒径分布图(a)和透射电镜图(b)。

图4为本发明实施例4所制备的纳米二氧化硅球的粒径分布图(a)和透射电镜图(b)。

图5为本发明实施例5所制备的纳米二氧化硅球的粒径分布图(a)和透射电镜图(b)。

图6为本发明实施例1所制备的纳米二氧化硅球的xrd衍射谱图。

图7为本发明实施例1所制备的纳米二氧化硅球的bet测试图。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明一种超细纳米二氧化硅球的制备方法，达到预期发明目的，以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的一种超细纳米二氧化硅球的制备方法，其具体实施方式和结果有详细说明如后。在下述讨论的实例只是为了说明，，可以加以改造和变换，而所有的这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求。

实施例1

(1)称取1.46g赖氨酸，溶于139ml水，加入8.7ml环己烷，水浴40℃搅拌溶解。待赖氨酸、水、环己烷完全混溶后，调整转速为500r/min，以2～3ml/min的速率加入总计112ml原硅酸四乙酯，保持40℃恒温水浴和500r/min的搅拌速度24h，得到二氧化硅悬浊液。

(2)将二氧化硅悬浊液洗涤离心3次，洗涤液为去离子水，离心速率为5000r/min，120℃烘干，将得到的沉淀物研磨成粉末，置于马弗炉中600℃焙烧4h。得到纳米二氧化硅球白色粉末。

图1为本实施例制备的纳米二氧化硅球的透射电镜图和粒径分布图，氧化硅球的平均直径为9.5nm。图6为本发明实施例制备的纳米二氧化硅球的xrd衍射谱图，表现出典型的无定型氧化硅衍射峰，衍射峰宽化说明其粒径较小。图7为本发明实施例制备的纳米二氧化硅球的比表面积(bet)测试图，其比表面积达到283m²/g。

实施例2

(1)称取1.46g赖氨酸，溶于139ml水，加入8.7ml环己烷，水浴40℃搅拌溶解。待赖氨酸、水、环己烷完全混溶后，调整转速为500r/min，以2～3ml/min的速率加入总计112ml原硅酸四乙酯，保持60℃恒温水浴和500r/min的搅拌速度24h，得到二氧化硅悬浊液。

图2为本实施例制备的纳米二氧化硅球的透射电镜图和粒径分布图，氧化硅球的平均直径为17.8nm。

实施例3

(1)称取1.46g赖氨酸，溶于139ml水，加入8.7ml环己烷，水浴40℃搅拌溶解。待赖氨酸、水、环己烷完全混溶后，调整转速为500r/min，以2～3ml/min的速率加入总计112ml原硅酸四乙酯，保持80℃恒温水浴和500r/min的搅拌速度24h，得到二氧化硅悬浊液。

图3为本实施例制备的纳米二氧化硅球的透射电镜图和粒径分布图，氧化硅球的平均直径为26.5nm。

实施例4

(1)称取1.46g赖氨酸，溶于139ml水，加入8.7ml环己烷，水浴40℃搅拌溶解。待赖氨酸、水、环己烷完全混溶后，调整转速为800r/min，以2～3ml/min的速率加入总计112ml原硅酸四乙酯，保持60℃恒温水浴和800r/min的搅拌速度24h，得到二氧化硅悬浊液。

图4为本实施例制备的纳米二氧化硅球的透射电镜图和粒径分布图，氧化硅球的平均直径为17.1nm。

实施例5

(1)称取14.6g赖氨酸，溶于139ml水，加入8.7ml环己烷，水浴40℃搅拌溶解。待赖氨酸、水、环己烷完全混溶后，调整转速为500r/min，以2～3ml/min的速率加入总计1120ml原硅酸四乙酯，保持60℃恒温水浴和500r/min的搅拌速度24h，得到二氧化硅悬浊液。

图5为本实施例制备的纳米二氧化硅球的透射电镜图和粒径分布图，氧化硅球的平均直径为22.8nm。

本发明实施例1～5所述的一种纳米二氧化硅球的制备方法，所制备的二氧化硅粒径较小，其优点在于可以调整其反应条件来控制二氧化硅的粒径，来满足不同情况下对纳米二氧化硅球粒径的需求，可应用于需要纳米二氧化硅颗粒的行业中。当然，以上所述的实施例只是部分实施例，并非对发明实施例做任何形式上的限制，依据本发明实施例的方法技术对反应参数做适当修改但不脱离本发明宗旨的情况下，均属于本发明的保护之内。

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