[发明专利]一种用废塑料低温制备立方碳化硅超细粉的方法

说明书

技术领域

本发明涉及废塑料的再利用及立方碳化硅制备，尤其涉及用废塑料低温制备立方碳化硅超细粉的方法。

背景技术

碳化硅(SiC)具有高的热传导性、抗氧化性以及耐化学腐蚀性，同时它又属于硬质材料，可广泛用于陶瓷、金属及聚合物基体复合材料的增强剂，参见Adv.Mater.，2000，12，1186。3C-SiC材料由于具有宽带隙(2.3eV)、高临界击穿电场、高热导率、高稳定性等特点，在微电子半导体器件方面具有巨大的应用潜力，是21世纪重要的新型功能半导体器件材料之一，许多国家相继投入了大量的资金对SiC进行了广泛深入的研究。

传统制备碳化硅方法的为碳热还原法，即Acheson法(US Patent，492767.1892)，其制备温度通常要高于1800℃，制备过程可由下面的反应式表示：

SiO_2(s)+3C_(s)＝SiC_(s)+2CO_(g)

Cutler等人用特殊处理的稻壳加热至2000℃生长出SiC晶须，参见J.Am.Ceram.Soc.Bull.，1975，54，195；US patent，3754076.1973。Dai H.J.等人在1200℃下将碳纳米管与具有高蒸气压的SiO或SiI₂反应合成直径为2～30nm，长度达20μm的SiC纳米线，参见Nature，1995，375，769。上述制备过程往往都需要在1200℃以上高温或在气流中进行，所制备的产品有可能被应用到高科技领域，但其大规模生产将很难实现。Liu G.H.等人用炭黑和硅粉为原料，利用燃烧法于1600℃以上条件下大规模合成了碳化硅超细粉，参见J.Phys.Chem.C，2008，112，6285，但该方法产物中混有Si₃N₄和Si₂N₂O。

废塑料污染环境已经成为一个不可忽视的问题。废塑料中主要成分为低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的塑料产品占大部分，且废塑料在立方碳化硅制备中被利用尚未见报道。

发明内容

本发明利用废塑料作为碳源，是提供一种经济、环保且易于工业化生产的低温制备结晶性良好的立方碳化硅(3C-SiC)微粉方法。

术语说明：

立方碳化硅(3C-SiC)超细粉，是指具有立方晶系晶体结构的碳化硅，且粒度为微米或纳米级。

废塑料：主要成分为低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的塑料品废弃物，本说明书中分别简称为LDPE、HDPE或PET。

TEM照片：透射电子显微镜照片。

SEM照片：扫描电子显微镜照片。

HRTEM图片：高分辨透射电子显微镜照片。

发明概述

本发明旨在利用废塑料作为碳源与硅粉来合成碳化硅，金属钠、金属镁粉为还原剂，硫粉为辅助剂，在相对较低温度下廉价和大规模制备结晶程度良好的3C-SiC超细粉，及扩大碳化硅陶瓷及其相关复合材料的应用都具有重要意义，特别是以废塑料作为碳源，有利于节能降耗和降低原料成本，并且可实现废弃物资源化和环境污染控制。

发明详述

将使用过的主要成分为高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的塑料品废弃物收集起来，用清水洗净自然干燥，或于60℃条件下干燥3小时，最后经过剪碎或机械粉碎后待用。

一种低温制备立方碳化硅超细粉的方法，步骤如下：

(1)将原料硅粉、废塑料(按单质碳计)与金属钠、金属镁粉和升华硫按摩尔比(0.1-3)∶1∶(0.5-8)∶(0.2-3.2)∶(0.1-3)混合，密封在不锈钢高压釜中，将该高压釜放置在电阻炉中，于350～500℃、0.5～10MPa条件下反应10～30小时；

(2)步骤(1)所得产物经醇洗、水洗和常规离心分离、干燥，即获得含有微量硅粉和无定形碳的立方碳化硅粗品，参见图1的X光衍射谱。

(3)步骤(2)所得产品经70％wt高氯酸回流或在空气中于600℃下灼烧3小时，除去无定形碳，然后经酸洗除去单质硅，即得立方碳化硅(3C-SiC)超细粉，参见图2的X光衍射谱。

优选的，上述步骤(1)所述金属镁粉为200目的金属镁粉。