[发明专利]制备纳米多孔二氧化硅的装置及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及生产无定形纳米多孔二氧化硅的装置和方法以及通过该方法制备的无定形纳米多孔二氧化硅，所述装置和方法能够通过使用高速反应喷嘴产生涡流以精确的当量比混合源材料，并能够使用进行高速搅拌和低速搅拌的连续循环聚合釜控制物理性质。 

背景技术

二氧化硅的生产方法可以大致分为湿法和干法。凝胶型二氧化硅和沉淀二氧化硅能够通过湿法制备。凝胶型二氧化硅和沉淀二氧化硅均由硅酸钠(Na₂O·nSiO₂)和硫酸(H₂SO₄)制备得到。凝胶型二氧化硅在碱性条件下通过凝胶化制备，其二氧化硅浓度较高，而沉淀二氧化硅通过在较低浓度下搅拌沉淀为固体。而且，凝胶型二氧化硅在酸性和碱性条件下均能够制备，而沉淀二氧化硅仅能在碱性条件下制备。此外，凝胶型二氧化硅的制备过程需要用于凝胶化和研磨的长反应时间(20至80小时)，而沉淀二氧化硅能够在短时间内(1至5小时)制备，因为它是随反应的进行而沉淀的。 

在沉淀二氧化硅的常规生产方法中(参见图4)，通过不同的进料管将硅酸钠和硫酸直接加到装有搅拌器的聚合釜中。在这种情况下，加硫酸的区域偏酸性而加硅酸钠的区域偏碱性，而且因此，反应器内硫酸和硅酸钠的当量比随位置而变化。因此，硅酸钠和硫酸的当量比变得难以控制，并且不可能获得具有均匀物理性质的纳米多孔二氧化硅。这是因为pH是影响通过硅酸钠的酸解形成的Si(OH)₄颗粒凝聚、成长和凝胶化最重要的因素(The Chemistry of Silica(二氧化硅的化学)；Ralph.K.Iler，John Wiley and Sons，New York，p.177-200，1979.)。硅酸钠和硫酸彼此接触时的pH是控制纳米多孔二氧化硅的物理性质的非常重要的因素。图6显示了具有初期形成的大量硅醇基(-Si-OH)的二 氧化硅溶胶在二氧化硅生产的湿法处理期间转变成固体所需的凝胶化时间(胶凝时间)。当pH为0至2时，由于溶胶稳定性增加，胶凝时间较长。在pH为2或处于二氧化硅的等电点时胶凝时间最长，此时它是最稳定的。在pH为2至6时，胶凝时间随溶胶稳定性的降低而降低，并从pH6开始随二氧化硅溶胶稳定性的增加而再次增加。 

如果通过不同的进料管加硅酸钠和无机酸，如在沉淀二氧化硅的常规生产方法中，难以在每一时刻控制每一点的pH。结果，3nm至4nm尺寸的初级颗粒的形成和向三维网状结构的转变在每一分钟是可改变的，而且因此不可能控制纳米多孔二氧化硅的物理性质和形态。此外，当以高速进行反应时，不可能用沉淀二氧化硅的常规制备方法获得均匀的物理性质，因为反应器内pH的改变很突然。 

对于凝胶型二氧化硅，在转移和研磨所获得的湿凝胶后需要另外的洗涤和干燥处理。通常，洗涤大约花费20至40小时。 

常规的纳米多孔二氧化硅、凝胶型二氧化硅和沉淀二氧化硅都是间歇化生产的。无论对过程的控制如何相近，一批与另一批之间物理性质的变化也是不可避免的。因此，常规凝胶型二氧化硅和沉淀二氧化硅的生产具有其局限性。例如，韩国专利第0244062号公开了纳米多孔二氧化硅的生产方法，其包括如下步骤：i)制备包含低于100g/L的硅酸盐和低于17g/L的电解质的初始母液，ii)向母液中加入酸化剂直至反应混合物的pH变成约7或更高，以及iii)向反应混合物中同时加入酸化剂和硅酸盐。然而，在向含有母液的反应器中同时加入酸化剂和硅酸盐时，在与母液混合期间会产生局部不均匀的当量比。按照如图6所述的二氧化硅聚合理论，不同的pH引起不同的聚合速率和初级颗粒的不同形成模式。因此，不同批次的纳米多孔二氧化硅的物理性质总是有些变化。 

发明公开 

技术问题 

为解决所述问题，本发明人开发了用于生产无定形纳米多孔二氧化硅的装置，所述装置包括装有产生源材料的涡流并使其以精确当量 比混合的喷嘴的高速瞬时反应器，以及能够均匀控制物理性质的高速/低速搅拌连续循环聚合釜。 

因此，本发明的目的是提供用于生产无定形纳米多孔二氧化硅的装置，所述装置包括装有防波动气室的源材料进料器、装有喷嘴的高速瞬时反应器和反应后提供高速搅拌和低速搅拌以得到均匀物理性质的连续循环聚合釜。