[发明专利]一种空心二氧化硅球的制备方法

摘要

一种空心二氧化硅球的制备方法，它是以正硅酸乙酯为合成二氧化硅原料，以乙炔为生成碳微球原料，以十六烷基三甲基溴化铵为碳微球表面改性剂，以氨水为酸碱度碱性调解剂，以无水乙醇为溶剂、洗涤剂，以去离子水为清洗剂、洗涤剂，以氩气为保护气体，先在管式高温炉中用乙炔、氩气制成碳微球，经研磨过筛后与十六烷基三甲基溴化铵、无水乙醇、去离子水混合，经超声分散后，滴加氨水、正硅酸乙酯，恒温搅拌，水冷凝回流冷却，静置，离心分离，洗涤，干燥，制成二氧化硅包覆碳微球，经550℃焙烧，制成空心二氧化硅球，此方法工艺流程短，产收率高，可达94.5％，产物纯度好，可达96.5％，填补了以碳微球为核、以二氧化硅为壳，制备空心二氧化硅球的科研空白。

主权项

1.一种空心二氧化硅球的制备方法，其特征在于：使用的化学物质材料为：正硅酸乙酯、无水乙醇、十六烷基三甲基溴化铵、氨水、去离子水、乙炔、氩气，其组合配比如下：以克、毫升、厘米³为计量单位正硅酸乙酯：Si(OC₂H₅)₄ 3ml±0.01ml无水乙醇：C₂H₅OH 300ml±5ml十六烷基三甲基溴化铵：C₁₆H₃₃(CH₃)₃NBr 0.086g±0.001g氨水：NH₃ 1.4ml±0.01ml去离子水：H₂O 3000ml±50ml乙炔：C₂H₂ 2000cm³±20cm³氩气：Ar 100000cm³±100cm³制备方法如下：(1)精选化学物质原料对制备所需的化学物质原料要进行精选，并进行纯度控制：正硅酸乙酯：液态分析纯99.95％无水乙醇：液态分析纯99.7％十六烷基三甲基溴化铵：固态分析纯99.0％氨水：液态分析纯99.99％去离子水：液态99.99％乙炔：气态99.99％氩气：气态99.99％(2)制备碳微球①在石英管式高温电阻炉中进行；高温电阻炉：长度600mm、内径38mm、220V、2kW；石英管：长度1000mm、外径34mm、内径30mm②清洗、清洁石英管用吸尘器抽吸石英管内粉尘及有害物质；用去离子水2000ml灌洗、刷洗石英管内、外壁，使其洁净，并晾干；③将石英管置于高温电阻炉中间位置安装石英管及两端密封圈、进口塞、出口塞、出气管；在石英管的进口塞、密封圈左上部安装乙炔管及乙炔阀、乙炔瓶；在石英管的进口塞、密封圈左下部安装氩气管及氩气阀、氩气瓶；④常压下置换石英管内空气石英管内气压为常压101.3kPa；开启氩气瓶，向石英管内输入氩气，输入速度100cm³/min，输入时间15min，驱除石英管内有害气体，使之净化；⑤开启高温电阻炉，使其升温，升温速度10℃/min，至1000℃±5℃；⑥继续向石英管内输送氩气，输入速度400cm³/min，输入时间30min±1min；⑦同时开启乙炔瓶，向石英管内输入乙炔气体，输入速度50cm³/min，输入时间30min±1min；⑧乙炔与氩气流量比为：1∶8；⑨乙炔气体在高温1000℃±5℃状态下，在氩气气氛保护下，进行热分解，乙炔气体在石英管内，通过进气区段、高温反应区段、过渡区段、冷却区段，将发生化学变化，由气态-固态，并在石英管内冷却区段冷却，其冷却沉积物为：碳微球；⑩冷却关闭乙炔气体；关闭高温电阻炉，使其降温；继续输入氩气，输入速度100cm³/min，输入时间300min；石英管内温度由1000℃±5℃随炉冷却至20℃±3℃；冷却后成：碳微球粉体；(3)研磨、过筛对制备的碳微球粉体用玛瑙研钵、研棒进行研磨，用400目筛网过筛，研磨、过筛反复进行，碳微球成细粉状，碳微球平均粒径为：38μm；(4)制备二氧化硅球①制备混合液将碳微球0.5g±0.001g、无水乙醇40ml±0.1ml、去离子水8ml±0.1ml置于三口烧瓶中，将三口烧瓶置于超声分散仪的水浴槽内，三口烧瓶浸于水中，水温为20℃±3℃；②开启超声分散仪，超声频率40HZ、100W，超声分散时间60min±1min；③在超声分散状态下，向三口瓶内加入十六烷基三甲基溴化铵0.086g±0.001g，继续超声分散10min±1min；④二氧化硅包覆碳微球将盛有：碳微球+无水乙醇+去离子水+十六烷基三甲基溴化铵混合液的三口烧瓶，置于恒温磁力搅拌器的水浴槽内，在三口烧瓶的左口插入温度计、右口插入滴液漏斗、中间口插入水循环冷凝管，并接通水循环冷凝管的进、出水口；⑤开启恒温磁力搅拌器、开启水循环冷凝管，使水浴槽内的水温升至40℃±1℃，并持续恒定；⑥在滴液漏斗中，用移液管量取1.4mol·L^-1的氨水1.4ml滴加入三口烧瓶内，滴加速度1ml/min，同时磁力搅拌，使其混合均匀，时间10min±1min，调解混合液酸碱度pH值，pH＝10.58，呈碱性；⑦滴加正硅酸乙酯、生成二氧化硅包覆壳将正硅酸乙酯3ml±0.01ml置于三口烧瓶的滴液漏斗中，并滴加，滴加速度1ml/min，同时磁力搅拌，时间3min±0.5min，混合后成：碳微球+无水乙醇+去离子水+十六烷基三甲基溴化铵+氨水+正硅酸乙酯混合液，在温度40℃±1℃水浴状态下、在水循环冷凝状态下，磁力搅拌720min±10min，使正硅酸乙酯经历水解-缩合过程，并包覆碳微球表面，生成二氧化硅包覆碳微球核-壳结构，其化学反应式如下：式中：Si(OH)₄：硅醇SiO₂：二氧化硅OH^-：氢氧根⑧静置混合液将盛有混合液的三口烧瓶置于烧瓶架上，拔去水循环冷凝管，使混合液在洁净状态下静置，静置温度20℃±3℃，静置时间2160min±30min，以稳定二氧化硅包覆碳微球核-壳结构；⑨离心分离二氧化硅包覆碳微球将静置后的混合液置于透明的离心管内，将离心管置于离心分离机上，开启离心分离机，分离转数6000r/min，分离时间10min±0.5min，离心管上部为液体，底部为固体产物，即：二氧化硅包覆碳微球；除去液体，留存固体产物；⑩去离子水洗涤、离心分离五次将固体产物置于离心管中，加入去离子水20ml±1ml，然后用玻璃棒搅拌，洗涤、搅拌时间1min；洗涤后，将离心管置于离心分离机上进行离心分离，分离转数6000r/min，分离时间10min±0.5min；分离后，倒掉分离瓶上面的液体，留存底部的固体产物；洗涤、离心分离重复进行五次；无水乙醇洗涤、离心分离五次将固体产物置于离心管中，加入无水乙醇20ml±1ml，然后用玻璃棒搅拌，洗涤、搅拌时间1min；洗涤后，将离心管置于离心机上进行离心分离，分离转数6000r/min，分离时间10min±0.5min；分离后，倒掉分离瓶上面的液体，留存底部的固体产物，即：核-壳结构二氧化硅包覆碳微球；洗涤、离心分离重复进行五次；干燥将洗涤、分离后的核-壳结构的二氧化硅包覆碳微球置于烘箱中进行干燥处理，干燥温度100℃±1℃，干燥时间600min±5min，干燥后即得：核-壳结构二氧化硅包覆碳微球1.194g(5)制备空心二氧化硅球制备空心二氧化硅球在电阻焙烧炉中进行；将1.0g核-壳结构的二氧化硅包覆碳微球置于陶瓷坩埚内，将坩埚置于焙烧炉内；开启电阻焙烧炉，焙烧温度550℃±5℃，焙烧时间300min±5min；在焙烧过程中，核-壳结构的二氧化硅包覆碳微球，将进行形态变化，碳微球焙烧氧化后由固态变成气态，生成的二氧化碳气体由气孔排出焙烧炉，即：核-壳结构的二氧化硅包覆碳微球变成空心二氧化硅球，成最终产物，即：白色空心二氧化硅球。(6)检测、化验、分析、表征、对比对制备的空心二氧化硅球的形貌、色泽、成分、纯度、性能要进行化验、分析、表征；用场发射扫描电镜进行形貌分析；用X-射线衍射仪进行晶相分析；(7)产物储存将制备的空心二氧化硅球产物置于无色透明的干燥器内，洁净环境，要防水、防潮、防火、防晒、防酸、碱侵蚀，储存温度20℃±3℃，相对湿度≤20％。