[发明专利]一种纳米二氧化硅的制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种纳米二氧化硅的制备方法，具体地说是一种不需任何酸碱催化剂，在较高的反应温度下，快速制备高纯度纳米二氧化硅的方法。

背景技术：

纳米二氧化硅具有比表面积大、尺寸效应小、孔洞率高、优良的光、电性能以及高温下仍具有高强、高韧、稳定性好等特性，而且其表面富含硅醇基和残氧键，是极具工业应用前景的纳米材料。随着各种高新材料的开发和利用，纳米二氧化硅被广泛应用于高分子复合材料、陶瓷材料、电子封装材料、喷墨打印、生物细胞分离、催化剂或医药载体等领域。

目前，制备纳米二氧化硅的主要方法有气相法、沉淀法和溶胶-凝胶法等。气相法例如2004年公开的中国科学院过程工程研究所马兵等申请的专利号为200410049864.9的专利——“一种纳米高纯纳米二氧化硅的制备方法”，该专利是在高频等离子气相氧化反应装置中采用采用等离子体气相法，以四氯化硅、氧气、空气为原料，制备纳米二氧化硅。该方法需要特殊的反应装置和特定的除氯工艺，因此生产工艺相对复杂，影响产品纯度。沉淀法例如1995年公开的底谷萨股份公司H.埃施等申请的专利号为94117058.6的专利——“沉淀二氧化硅”，该专利用碱金属硅酸盐与无机酸在60-95℃下，通过调节pH值，反应制备出沉淀二氧化硅。该方法需要对产品进一步洗涤，增加了生产工艺，金属离子和无机酸对产品纯度也会造成一定的影响。溶胶-凝胶法例如2000年公开的中国科学院固体物理研究所张立德等申请的专利号为95102373.X的专利，“一种尺寸可控纳米二氧化硅分体的制备方法”，该专利以正硅酸酯类化合物为原料，通过溶胶-凝胶法制得非晶态的纳米二氧化硅粉体。反应过程中需要采用盐酸调节pH值控制反应的进行，会对产品二氧化硅的纯度造成影响，且溶胶-凝胶时间较长。综上所述，目前现有的制备纳米二氧化硅的方法普遍存在生产工艺复杂，产品纯度不高的缺点。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有制备工艺的不足，提高纳米二氧化硅产品的纯度。本发明方法无需使用酸碱催化剂，在较高的温度下，快速发生溶胶-凝胶化，经干燥灼烧得到高纯度的纳米二氧化硅。

为了实现上述发明目的，本发明方法按照如下操作步骤进行：

将正硅酸酯类化合物、醇类共溶剂、水按1∶4-8∶4-8的摩尔比混合，低速搅拌，在120-140℃、2-4atm下反应20-60分钟，将反应产物冷却至乙醇沸点以下，湿凝胶呈糊状流出，将湿凝胶在200℃下烘干2-4小时，400℃下灼烧2-4小时，再在800℃下灼烧2-4小时，得到粒径为30-100nm的二氧化硅粉体；或将正硅酸酯类化合物、醇类共溶剂、水按1∶4-8∶4的体积比混合，在常压下加热到90℃反应30-50分钟凝胶，升高温度，经过2-4小时后蒸发掉透明块状凝胶中大部分的醇类，将半干的湿凝胶在真空干燥箱中加热到200℃，干燥2-4小时后，400℃下灼烧2-4小时，再在800℃下灼烧2-4小时，得到粒径为30-100nm的二氧化硅粉体。

本发明选用的正硅酸酯类化合物为正硅酸甲酯或正硅酸乙酯，水为去离子水。

本发明所选用的醇类共溶剂为一元醇或二元醇，选自甲醇、乙醇、乙二醇、丙二醇、丁二醇等中的一种或两种的混合物。

采用本发明方法制备纳米二氧化硅的优点在于：一是工艺简单，制备时间短，提高反应温度以后，可以使正硅酸酯类化合物快速发生溶胶-凝胶反应，大大缩短了反应时间；二是产品纯度高，形状规则，无硬团聚，反应过程中没有使用任何酸碱催化剂，防止了杂质离子的引入。

具体实施方式：

实施例1：

量取150ml正硅酸甲酯，将正硅酸甲酯、乙醇、H2O按摩尔比1∶4∶8加入到反应釜中，低速搅拌，在120-140℃、2-4atm下反应60分钟后，将反应产物冷却至乙醇沸点以下，湿凝胶呈糊状流出，将其在200℃下烘4小时，400℃下灼烧2小时，再将其在800℃下灼烧2小时后得到38.5g粒径为30-100nm的白色球状纳米二氧化硅粉体。

实施例2：

量取150ml正硅酸乙酯，将正硅酸乙酯、乙醇、乙二醇、H₂O按摩尔比1∶4∶4∶4加入到反应釜中，低速搅拌，在120-140℃、2-4atm下反应60分钟后，将反应产物冷却至乙醇沸点以下，湿凝胶呈糊状流出，将其在200℃下烘4小时，400℃下灼烧2小时，再将其在800℃下灼烧2小时后得到35.4g粒径为30-100nm的白色球状纳米二氧化硅粉体。

实施例3：