[发明专利]一种溶胶-微乳-水热体系制备纳米硅微粉的方法

说明书

技术领域

本发明属于无机材料科学与技术领域，涉及一种纳米硅微粉的制备方法。

背景技术

二氧化硅具有无毒、无味、无污染、耐高温性能好、耐酸碱腐蚀、热膨胀系数低、导热系数小、高绝缘性、硬度大、资源丰富、压电效应以及谐振效应等优良的物理、化学性质。因此，硅微粉（SiO₂微粉，Silica Fine Powder）在塑料、高档涂料、高级油漆、橡胶、环氧树脂、高级陶瓷等化工领域以及计算机芯片、光导纤维、集成电路、太阳能电池等电子电工领域均具有广大的应用前景。硅微粉产品的质量不仅与其纯度有关，其粒度大小也是决定其性能与应用的主导因素。纳米硅微粉（纳米SiO₂微粉）由于纳米尺寸引起的量子尺寸效应、表界面效应、介电限域效应等，使其表现出许多独特的性质，如特殊的光、电性能与高磁阻现象，非线性电阻现象以及高温下的高强高韧、高耐热耐湿、高介电、高填充量以及高稳定性等。纳米硅微粉还表现出抗紫外线的光学性能，且具有吸附色素离子、降低色素衰减的作用，大大拓宽了硅微粉的应用范围。因此，纳米硅微粉可广泛应用于催化剂载体、高分子复合材料、电子封装材料、精密铸造及其他涉及应用硅微粉的几乎所有行业。

目前，制备纳米硅微粉的方法主要还是化学法，分气相和液相两种。气相法多以四氯化硅为基本原料，在氢氧气流高温下水解制得烟雾状纳米SiO₂微粉。该类方法制得的产品纯度较高，分散度好且表面羟基少，但原料昂贵，能耗高，技术复杂，设备要求高；液相法则以沉淀法和溶胶-凝胶法为主，通常以无机硅酸盐（如水玻璃）或有机硅源（如硅酸脂）为基本原料。沉淀法是将碱金属硅酸盐通过酸化而获得疏松的、细分散的、以絮状结构沉淀出来的纳米SiO₂，其生成物通常纯度不佳，纳米粒子通常以聚集形式存在；溶胶-凝胶法是在硅酸脂中加入酸使其碱度降低，从而诱发硅酸根的聚合反应，使体系中以胶体粒子形式存在的高聚态硅酸根离子粒径不断增大形成硅溶胶，随着pH值的进一步降低成为硅凝胶，脱水后制得纳米SiO₂。该方法工艺复杂，生产周期长，参数较难控制，且产品尺寸偏大。液相法制备纳米硅微粉的最大缺点还在于其产品粒径分布范围较宽，因为原料的水解速度无法保持高度均匀，从而使得所制备的SiO₂纳米颗粒大小不均，这在实际应用中可能会带来负面影响。

发明内容

为解决沉淀法制备纳米硅微粉时粒径分布宽且易团聚的问题，本发明提出一种溶胶-微乳-水热复合体系制备尺寸均匀的准球形纳米硅微粉。该方法无需复杂设备，具有工艺条件简单，易于操作控制，生产成本低等优势。

本发明是通过以下技术方案实现的。

1）硅酸钠的制备。将熔融硅微粉与碳酸钠按摩尔比1：2.5~3.5的比例混合均匀，恒温900~1000℃下进行熔融反应，冷却至室温后得硅酸钠固体，并研磨成粉。

2）硅酸溶胶体系的制备。称取一定量步骤1）中所制备的硅酸钠粉体置于容器中，加入少量水，充分搅拌使硅酸钠完全溶解，形成硅酸钠溶液，其浓度约为0.1~0.4M。按盐酸与硅酸钠的摩尔比为2~2.5：1的量，向硅酸钠溶液中缓慢滴加盐酸并保持快速搅拌制得硅酸溶胶。

3）四相微乳体系的制备。首先，向步骤2）中所制备的硅酸溶胶（水溶胶相）中加入油相，搅拌得分层溶液，然后加入表面活性剂，继续搅拌使表面活性剂充分溶解或混合均匀，逐滴滴加助表面活性剂并保持持续剧烈搅拌，直到形成均一的微乳体系。

所述的油相为C₆~C₈的烷烃、环烷烃或芳香烃等。

所述的表面活性剂为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂或非离子表面活性剂中的一种或两种以上。阴离子表面活性剂如十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠等；阳离子表面活性剂如十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵等；非离子表面活性剂如聚乙烯吡咯烷酮、各类聚氧乙烯醚、聚乙二醇、吐温（Tween）、司盘（Span）、曲拉通（Triton）等。

所述的助表面活性剂为C₂~C₈的醇类。

其中，硅酸溶胶（水溶胶）与油相的体积比为1：1~4，油相比例越大，油包水型微乳越明显。表面活性剂的浓度约为0.02~0.2M，它对产物粒径大小具有较大影响。

4）水热体系反应。将步骤3）中所配置的硅溶胶-微乳液转移至水热反应釜中，100~150℃恒温密封反应若干小时，反应结束后冷却至室温。