[发明专利]一种水溶性纳米硅溶胶的制备方法

说明书

技术领域：

本发明属于纳米材料制备技术领域，具体涉及一种水溶性纳米硅溶胶的制备方法。

背景技术：

纳米SiO₂俗称“超微细白炭黑”，是一种极其重要的高科技超微细无机新材料，具有粒径小、表面吸附力强、表面能大、纯度高、热绝缘性好等优异性能，另外，还具有优越的稳定性、补强性、增稠性和触变性，因此纳米SiO₂广泛应用于塑料、橡胶、涂料、药物载体、化妆品及抗菌材料等领域。由于纳米二氧化硅表面存在大量羟基，使其具有一定的亲水性能，但表面极性强，表面能高，处于热力学非稳定状态，极易发生团聚，在水溶液中会出现沉降现象，在使用时影响纳米SiO₂所具有的的性能。因此，对纳米SiO₂必须进行改性处理，使其能够在水相或油相体系中均匀分散，更好地发挥纳米SiO₂的优异性能。

对纳米SiO₂进行表面改性是最简单有效的方法，通过在纳米SiO₂表面连接一些特殊的基团，使改性后的纳米SiO₂具有亲水或亲油的特性，以达到良好的分散效果。目前，常用的化学改性剂有醇、有机硅化合物以及硅烷偶联剂等，另外，关于此方面的研究也取得了众多成果。《化工新型材料》(2007,35(11))发表的“纳米SiO₂表面改性研究”论文中公布了一种通过KH-560对纳米SiO₂表面改性的方法，以乙醇作为分散介质，利用KH-560与纳米SiO₂表面的羟基反应，在其表面接上环氧基，得到的基团在一定条件下开环生成邻羟基，从而改善SiO₂的分散效果。《化工进展》(2009,9(28))发表的“硅烷偶联剂KH-570对纳米SiO₂的表面改性及其分散稳定性”论文中提出了在无水乙醇与水为3：1的体系中，用硅烷偶联剂KH-570对纳米SiO₂进行表面改性，改性后在有机溶剂中的团聚块体尺寸明显减小，降低了颗粒团聚程度。

上述方法的反应的机理均为硅烷水解后形成的硅羟基与纳米SiO₂表面的羟基反应，且都存在着改性后的纳米SiO₂粒子不稳定，分散后形成的硅溶胶虽然团聚现象明显减少，但也难以达到理想效果。

发明内容：

本发明针对现有硅溶胶制备技术存在的上述问题，提供一种水溶性纳米硅溶胶的制备方法。

本发明所提供的一种水溶性纳米硅溶胶的制备方法具体步骤如下：

(1)HF气体的制备：

将氟化钙粉置于反应器中，密封状态下抽真空，再将98wt％的浓硫酸加入到反应器中，搅拌并加热到48～52℃进行反应制得HF气体，反应时间为5～6h，所述氟化钙与98wt％的浓硫酸的质量比是：1:(1.0～1.2)。

(2)HF气体与纳米SiO₂反应：

将纳米SiO₂置于另一反应器中，向该反应器中加入无水乙醇作为分散剂，密闭状态下抽真空，并通氮气保护；将步骤(1)制得的HF气体通过导管导入到分散有纳米SiO₂的无水乙醇中，搅拌并加热到67～73℃进行反应，反应时间为5～6h，并且进行尾气回收，所述纳米SiO₂与无水乙醇的质量比是：1：(55～65)，优选1:60，纳米SiO₂与HF气体的质量比是：1：(4.5～5.5)。

(3)HF处理后的纳米SiO₂与与硅烷偶联剂反应：

向步骤(2)反应后的反应物中缓慢加入硅烷偶联剂，继续通氮气保护，并升温至48～52℃，在搅拌下继续反应7～8h即可得到改性后的纳米SiO₂；所述纳米SiO₂与硅烷偶联剂的质量比是：1:(30～40)。

(4)改性后的纳米SiO₂的后处理：

将步骤(3)改性后的纳米SiO₂进行离心分离，并用正己烷洗涤3～5次，最后在真空干燥箱中烘干制得目标产品：水溶性纳米硅溶胶。

在HF气体的制备中，氟化钙与浓硫酸的质量比以n(CaF₂):n(浓H₂SO₄)＝1:1.2为佳，这样可以保证浓硫酸过量，使氟化钙完全反应。