[发明专利]一种控制气相二氧化硅分散粒径的方法

说明书

技术领域

本发明属于化学电源材料的制备领域，具体涉及一种控制气相二氧化硅分散粒径的方法。

背景技术

硫酸电解液的凝胶化是阀控式铅酸蓄电池的重要发展方向，应用气相二氧化硅作为胶凝剂是目前各蓄电池厂家的首选。气相二氧化硅具有很高的化学纯度和很强的触变性，它通过在氢氧焰中燃烧热解硅烷获得原生微粒，微粒经碰撞凝结成含10⁴个或更大数目SiO₄单元的支状初级粒子，在冷却过程中这些初级粒子形成了聚集体，聚集体表面硬化后又经范德华力结合成更大的聚集体，这即商品气相二氧化硅通常呈现的形貌。经剪切或剪切超声结合只能得到一定大小的分散粒子，分散粒径不同决定了粒子表面硅羟基种类和数量的不同，因此强烈影响了气相二氧化硅的胶凝特性以及加入蓄电池后的电池性能，控制气相二氧化硅分散粒径成为制备性能优良胶体蓄电池的第一个关键步骤。

关于气相二氧化硅粒径的重要性早已被意识（Gen?ten, M.等，J Solid State Electrochem. 2014, 18, 2469–2479；Chen, M.等，Electrochimica Acta 2015, 164, 243–251；Chen, M.等，J. Power Sources 2008, 181, 161-171；Kamiya, H.等，J. Am. Ceram. Soc. 2000, 83, 287-293），但他们都是根据电镜拍摄的原生粒子或初级粒子来考虑这些单元的尺寸（10-50nm）（Park, J.等，J. Non-Crystalline Solids 2005, 351, 2352–2357；Sun, C.等，Applied Mechanics Materials 2012, 110-116, 514-518; Chen, M.等，J. Power Sources 2008, 181, 161-171；Kamiya, H.等，J. Am. Ceram. Soc. 2000, 83, 287-293）。这与实际应用严重不相符，因为商品气相二氧化硅经机械力只能破坏彼此结合的范德华力，即分散只能得到如上所述的聚集体，这时的粒径在100-300nm之间。这种理论与实际的脱节导致对分散这一关键的前处理工艺迄今没有明确的知识指导，严重影响甚至阻碍了气相二氧化硅的实际应用。

本发明经过系统深入地研究，在明确机械分散粒径是决定商品气相二氧化硅应用效果的重要因素基础上，总结了综合利用剪切力、超声力、分散时间、气相二氧化硅浓度等手段，可以实现对商品气相二氧化硅的分散以及对粒径的有效控制。

发明内容

本发明在于针对现有技术的不足，提供一种能有效控制气相二氧化硅分散粒径的方法。该方法在商品气相二氧化硅配制成浓度为4wt%~25wt%的水溶液时，综合利用剪切力、超声力、分散时间等，能有效控制气相二氧化硅的分散粒径在130nm~240nm。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种控制气相二氧化硅分散粒径的方法：将商品气相二氧化硅配制成浓度为4wt%~25wt%的水溶液，在剪切线速度为9.64 m/s~27 m/s下，剪切1分钟~15分钟；或再在超声功率为9.5W ~950W下，超声分散1分钟~15分钟；制得分散粒径控制在130nm~240nm（粒度分布仪测定并经浓度外推法处理）的气相二氧化硅。

本申请采用由定子和转子构成的高速剪切机或均质机进行剪切。

本申请采用由超声发生器构成的超声波粉碎机进行超声分散。

本发明综合利用剪切力、超声力、分散时间、气相二氧化硅浓度等手段，单独使用剪切力或联合使用剪切与超声力，合理选择气相二氧化硅浓度，在所述分散时间内，可以良好地控制气相二氧化硅的分散粒径在130nm~240nm。

条件试验：

1）二氧化硅浓度变化对气相二氧化硅分散粒径的影响

分别称量浓度为4wt%~25wt%的二氧化硅水溶液，固定剪切线速度为15.5 m/s下，剪切3分钟。气相二氧化硅的分散粒径随气相二氧化硅浓度的变化如图1所示。随着气相二氧化硅浓度增加，分散粒径减小。

2）剪切线速度的变化对气相二氧化硅的分散粒径的影响