[发明专利]一种粒度可控的非晶单分散纳米二氧化硅粉体的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机非金属粉体材料领域，具体涉及一种粒度可控的非晶单分散纳米二氧化硅粉体的制备方法。

背景技术

单分散纳米SiO₂粉体因其独特性能，目前主要被广泛应用于橡胶、工程塑料、粘结剂、涂料、封装材料、化妆品等工业生产领域。特别地，10-100nm的单分散纳米SiO₂粉体可作为锂电池负极硅材料的先驱体；而10-30nm的单分散纳米SiO₂粉体由于具有的绝缘性能好、分散性好、对红外光反射率高等特点，使其成为全固态太阳能电池间隔层的理想材料。

制备出纯度高、粒径分布窄、活性高的纳米SiO₂粉体是众多科研工作者追求的目标，目前制备纳米SiO₂粉体的方法主要有气相法、化学沉淀法、溶胶凝胶法、微乳法液、溶胶种子法等。其中溶胶凝胶法是通过在醇介质中水解含硅有机物来合成单分散SiO₂颗粒，与其他方法相比，其具有粉体粒径可控，粒子均匀度高，纯度高，反应过程易于控制，副反应少等特点，因此成为当今最重要的一种制备纳米SiO₂粉体的方法。通过溶胶凝胶法制备单分散纳米SiO₂粉体虽然较为普遍，但粒径小到10-30nm的SiO₂粉体的合成仍然是极具挑战性的课题。如何更有效地解决颗粒硬团聚问题，降低成本，实现粉体粒径的可控性生产等问题仍需进行系统的研究。此外，纳米SiO₂粉体表面存在羟基，有很强的亲水性，与有机体系混合时相容性差，难分散；粒径小到10-30nm的SiO₂粉体具有更高的表面能，团聚的结合强度更大，一旦团聚，更难分散，这也是限制纳米SiO₂粉体规模化生产最重要的瓶颈问题。

1993年公开的美国专利，US5352645,“Silica microspheres,method of improving attrition resistance and use”，制得了粒径在1μm以上的二氧化硅粉体，不能达到纳米级产品的要求。2015年公开的专利，公开号为CN103254665B，“硅烷偶联剂组合物及其制备方法和用途”，利用硅烷偶联剂改性二氧化硅粉体，提高流动性，减少团聚，在一定程度上解决了纳米二氧化硅在有机溶剂中团聚的问题。不过，10-100nm粒径范围内纳米二氧化硅粉体的团聚问题还有待进一步的解决。

发明内容

本发明针对100nm以下纳米非晶二氧化硅粉体表面能高，易团聚等问题，提供了一种粒度可控的非晶单分散纳米二氧化硅粉体的制备方法，其特征在于，该制备方法，包含以下步骤：

(1)在甲醇溶剂中，以含硅有机物为硅源，利用碱催化的Stober法合成二氧化硅溶胶，具体工艺为：在20-70℃恒温温度下，将表面活性剂、氨水与去离子水加入甲醇溶剂中，配制成溶液A；将含硅有机物加入甲醇溶剂中，配制成溶液B；将上述两种溶液分别搅拌1-4h，混合均匀后，将溶液B缓慢滴加到溶液A中并搅拌1-10h，形成二氧化硅溶胶；

(2)将步骤(1)得到的二氧化硅溶胶在空气中陈化24h得到凝胶，并在冷冻干燥机中进行干燥；

(3)将步骤(2)得到的干燥产物与乙醇混合成浆料，球磨1-24h，并在50℃烘箱中干燥，得到粒度可控的非晶单分散纳米二氧化硅化硅粉体，其平均粒径为10-100nm。

步骤(1)中所述硅源为正硅酸甲酯(TMOS)、正硅酸乙酯(TEOS)、三甲基乙氧基硅烷(TMES)、甲基三甲氧基硅烷(MTMS)、二甲基二乙氧基硅烷(DDS)、多聚硅氧烷(PEDS)、倍半硅氧烷(POSS)中的一种或几种。

步骤(1)所述表面活性剂为聚乙二醇(PEG)、聚乙二醇壬基苯基醚(CO-520)、十二烷基硫酸钠(SLS)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、十二烷基磺酸钠(SDS)中的一种或几种。

步骤(1)所述溶液A中表面活性剂体积分数为0.1-5％，氨水的体积分数为0.5-20％，去离子水的体积分数为0-30％；溶液B中含硅有机物的体积分数为0.5-20％。

步骤(2)所述冷冻干燥的温度为-40℃，时间为48h。

步骤(3)所述干燥产物与乙醇的混合比例为1-10g/20mL。