CN101318660B - 一种空心二氧化硅球的制备方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
技术领域
本发明涉及一种空心二氧化硅球的制备方法,属无机非金属复合材料制取方法的技术领域。
背景技术
二氧化硅是一种性能优良、用途广泛的无机化合物,俗称白炭黑,是一种无毒、无味、无污染的轻质非晶固体材料,具有比表面积大、密度小、分散性好等优点,有优良的耐热性、耐磨性和可焊性,常用于橡胶、塑料、粘合剂、光纤材料、涂料、催化剂、香料、消毒剂等,二氧化硅在水中的稳定性及透光性使其成为一种优良的包覆材料。
二氧化硅的微结构呈絮状和网状的准颗粒结构,为球形,随着技术的发展,也出现了空心球形结构,空心结构的二氧化硅具有光、电、磁、催化等优点,使其具有多功能化,核-壳结构材料一般为球状,当核被除去后可得到空心球壳结构,中空球壳结构的材料具有低密度、高比表面积、高稳定性、高表面渗透性等特点,其空心部分还可容纳大量的客体分子,其独特的优越性能,常被用作催化剂载体、形状选择吸收剂,轻质填料、药物、颜料、化妆品等的可控运输和释放体系。
核-壳结构和空心球状材料的制备方法有多种,常用的如模板法,是在球状模板核的外表面包覆一层目标材料层,然后通过热解法或化学溶解法除去模板,得到空心球壳材料,常用的球状模板有聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等,碳微球的特殊结构赋予了它优异的性能和广阔的应用空间,目前主要应用于锂离子电池、活性炭、吸附材料、复合材料等,目前还没有用碳微球做核模板制备空心球的报导。
在空心球状材料的制备中,还存在很多不足,有的核载体材料较昂贵,有的不易除去,有的工艺过程较复杂,有污染,还有待进一步研究和探讨。
发明内容
发明目的
本发明的目的就是针对背景技术的现状和不足,选用新的核-壳材料,用碳微球做制备载体-核,用二氧化硅做包覆材料-壳,采用模板法,用乙炔做碳微球核的提取材料,用正硅酸乙酯做碳微球包覆材料的前驱体,通过高温制核、焙烧除核等工艺,制得空心二氧化硅球,使碳微球作核制备空心二氧化硅球成为可能。
技术方案
本发明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:NH31.4ml±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30mm
②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±lmin;
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;
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%。
所述的空心二氧化硅球的制备,以正硅酸乙酯为合成空心二氧化硅球原料,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pH值碱性调节剂,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。
所述的空心二氧化硅球的形貌为白色、空心、球形、絮状,平均直径520nm,空心平均直径为290nm。
所述的碳微球的制备是在管式高温电阻炉中进行的,在管式高温电阻炉1的中间为石英管2,石英管2左端由密封塞5、进口塞3密封,石英管2右端由密封塞6、出口塞4密封;石英管2左端上部连通乙炔管14、乙炔阀15、乙炔瓶13;石英管2左端下部连通氩气管17、氩气阀18、氩气瓶16;石英管2右端上部连通出气管19;在管式高温电阻炉1与石英管2之间为电阻丝12;石英管2内由左至右分为进气区段7、高温反应区段8、过渡区段9、冷却区段10,在冷却区段10内为产物碳微球11。
所述的混合液的超声分散是在超声波分散仪上进行的,在水浴槽20的下部为超声波控制器21,在水浴槽20上部为三口烧瓶22,三口烧瓶22上设有瓶塞口26、27、28,水浴槽20内置放水浴水33,三口烧瓶22内为碳微球+无水乙醇+去离子水+十六烷基三甲基溴化铵混合液32。
所述的二氧化硅包覆碳微球的制备是在水浴水为40℃±1℃的水浴状态下、在三口烧瓶中、在水循环冷凝过程中进行的,将三口烧瓶22置于水浴缸40上,将水浴缸40置于磁力搅拌器34上,在水浴缸40内为水浴水33,在三口烧瓶22上设置锥塞23、24、25,在锥塞23上置放温度计39,在锥塞24上置放水循环冷凝管35,在锥塞25上置放滴液漏斗41,在滴液漏斗41上先后滴加氨水29、正硅酸乙酯30,水循环冷凝管35上设有进水口36、出水口37、出气口38,三口烧瓶22内置放碳微球+无水乙醇+去离子水+十六烷基三甲基溴化铵混合液32。
有益效果
本发明与背景技术相比具有明显的先进性,空心二氧化硅球的制备是以正硅酸乙酯为合成二氧化硅球的原料,以乙炔为生成碳微球的原料,以十六烷基三甲基溴化铵为碳微球的表面改性剂,以氨水为体系酸碱度pH值的碱性调节剂,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、氩气制备碳微球,经研磨、过筛后,碳微球与十六烷基三甲基溴化铵、无水乙醇、去离子水超声分散混合,滴加氨水、正硅酸乙酯,恒温磁力搅拌、静置、离心分离、洗涤、干燥、制得二氧化硅包覆碳微球,再经550℃焙烧,制成空心二氧化硅球产物,即:白色、球形、絮状、空心二氧化硅球粉体,平均直径520nm,空心平均直径290nm,此制备方法工艺流程短,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。
附图说明
图1为制备工艺流程图
图2为碳微球制备状态图
图3为制备碳微球温度与时间坐标关系图
图4为混合液超声分散状态图
图5为混合液恒温搅拌水冷凝回流状态图
图6为混合液离心分离状态图
图7为产物焙烧状态图
图8为空心二氧化硅球形貌图
图9为空心二氧化硅球衍射强度图谱
图中所示,附图标记清单如下:
1、管式高温电阻炉,2、石英管,3、进口塞,4、出口塞,5、密封塞,6、密封塞,7、进气区段,8、高温反应区段,9、过渡区段,10、冷却区段,11、碳微球产物,12、电阻丝,13、乙炔瓶,14、乙炔管,15、乙炔阀,16、氩气瓶17、氩气管,18、氩气阀,19、出气管,20、水浴槽,21、水浴控制器,22、三口烧瓶,23、锥塞,24、锥塞,25、锥塞,26、瓶塞口,27、瓶塞口,28、瓶塞口,29、氨水,30、正硅酸乙酯,32、碳微球+无水乙醇+去离子水+十六烷基三甲基溴化铵混合液,33、水浴水,34、恒温磁力搅拌器,35、水循环冷凝管,36、进水口,37、出水口,38、气口,39、温度计,40、水浴槽,41、水浴水,42、离心分离机,43、离心管,44、离心分离控制器,45、液体,46、固体产物,47、电阻焙烧炉,48、气孔,49、陶瓷坩埚,50、炉腔,51程序升温控制仪,52、液晶显示屏,53、产物空心二氧化硅球,54、炉座,55、导线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明:
图1所示,为制备工艺流程图,要严格按流程制备,按序操作。
制备使用的化学物质材料,是按预先设置的数值确定的,以克、毫升、厘米3为计量单位,当工业化制取时,以千克、升、米3为计量单位。
碳微球的制备是用乙炔气体在管式高温电阻炉中制备的,高温炉长600mm,石英管长1000mm,石英管在高温炉内的区段为高温区段,是乙炔在1000℃反应的区段,石英管内分为四段,左前部为进气区段,中间为高温反应区段,右侧部为过渡区段,右部为冷却区段,其温度、时间、乙炔输入速度、输入量、氩气输入速度、输入量要严格控制。
二氧化硅包覆碳微球的制备是在三口烧瓶中进行的,先用碳微球与十六烷基三甲基溴化铵、无水乙醇、去离子水制成混合液,在常温20℃±3℃下,超声分散,使其充分混合。
将盛有混合物的三口烧瓶置于恒温磁力搅拌器上,在恒温40℃状态下,滴加氨水,调解pH值为10.58,呈碱性,然后滴加正硅酸乙酯,即二氧化硅原料物质,在水浴状态下,使二氧化硅包覆碳微球。
离心分离混合液,使固体产物与液体分离,分别用去离子水、无水乙醇进行各五次洗涤、分离二氧化硅包覆碳微球。
碳微球的去除是在高温焙烧炉中进行的,经550℃焙烧,使包覆层内的碳微球由固态氧化为气态二氧化碳经气孔排出,故而形成空心二氧化硅球。
制备使用的三口烧瓶、滴液漏斗、水浴槽、离心管、石英管、玛瑙研钵、研棒、恒温搅拌器等要保持洁净,不能有杂质介入,以防污染产物。
图2所示,为碳微球制备状态图,高温电阻炉1为220V,功率为2kW,石英管2可在高温炉内穿行自如,乙炔瓶13、氩气瓶16的气体与出气管19要配备适当,以使石英管内气压平衡,保证安全,高温反应区段8是最重要的区段,乙炔气体在此区段分解,至冷却区段10后即可生成产物碳微球11,要操作严密,按量、按时进行。
图3所示,为制备碳微球温度与时间坐标关系图,纵坐标为温度℃,横坐标为时间min,温度从20℃开始升温,即A点,升温速度10℃/min,升至1000℃±5℃,即B点,在该温度恒温30min±1min,即B-C区段,然后冷却至20℃,即D点。
图4所示,为混合液超声分散状态图,是制备二氧化硅包覆碳微球先行工序,各液体的加入要按序进行,不可颠倒,三口烧瓶22在水浴缸20内的水浴水33上进行超声分散。
图5所示,为混合液加热搅拌水循环冷凝状态图,是制备二氧化硅包覆碳微球主要工序,氨水29、正硅酸乙酯30的加入要按序进行,不可颠倒,在温度40℃±1℃状态下搅拌,恒温磁力搅拌器34上为水浴缸40,水浴缸40内为水浴水33,水浴缸40上为三口烧瓶22,三口烧瓶22上插入温度计39、水循环冷凝管35及其上的进水口36、出水口37、气口38,三口烧瓶中为碳微球+无水乙醇+去离子水+十六烷基三甲基溴化铵混合液32。
图6所示,为混合液离心分离状态图,离心分离控制器44上为离心分离机42,分离机42上为离心管43,离心管43内上部为液体45,下部为固体产物46。
图7所示,为产物焙烧状态图,在炉座54上部为电阻焙烧炉47,电阻焙烧炉47内为炉腔50,炉腔50内有陶瓷坩埚49,坩埚49内为产物53,电阻焙烧炉47上部设有气孔48,炉座54通过导线55与程序升温控制仪51、液晶显示屏52连接。
图8所示,为产物放大30000倍形貌图,图中可知:产物外形为球形、表面光滑,平均直径为520nm,内部为空心状,空心平均直径为290nm,标尺单位100nm。
图9所示,为产物衍射强度图谱,纵坐标为衍射强度指数,横坐标为衍射角2θ,图中可知:2θ为23.6°处有一个宽峰,这是无定型二氧化硅的特征峰,说明空心二氧化硅的壳为无定型的。
Claims (6)
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)43ml±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:NH31.4ml±0.01ml
去离子水:H2O 3000ml±50ml
乙炔:C2H22000cm3±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30mm
②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10 min±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,倒掉离心管上面的液体,留存底部的固体产物;
洗涤、离心分离重复进行五次;
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,倒掉离心管上面的液体,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;
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%。
2.根据权利要求1所述的一种空心二氧化硅球的制备方法,其特征在于:所述的空心二氧化硅球的制备,以正硅酸乙酯为合成空心二氧化硅球原料,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pH值碱性调节剂,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。
3.根据权利要求1所述的一种空心二氧化硅球的制备方法,其特征在于:所述的制备的空心二氧化硅球的形貌为白色、空心、球形、絮状,平均直径520nm,空心平均直径为290nm。
4.根据权利要求1所述的一种空心二氧化硅球的制备方法,其特征在于:所述的碳微球的制备是在管式高温炉中进行的,在管式高温炉(1)的中间为石英管(2),石英管(2)左端由密封塞(5)、进口塞(3)密封,石英管(2)右端由密封塞(6)、出口塞(4)密封;石英管(2)左端上部连通乙炔管(14)、乙炔阀(15)、乙炔瓶(13);石英管(2)左端下部连通氩气管(17)、氩气阀(18)、氩气瓶(16);石英管(2)右端上部连通出气管(19);在管式高温炉(1)与石英管(2)之间为电阻丝(12);石英管(2)内由左至右分为进气区段(7)、高温反应区段(8)、过渡区段(9)、冷却区段(10),在冷却区段(10)内为产物碳微球(11)。
5.根据权利要求1所述的一种空心二氧化硅球的制备方法,其特征在于:所述的混合液的超声分散是在超声波分散仪上进行的,在水浴槽(20)的下部为超声波控制器(21),在水浴槽(20)上部为三口烧瓶(22),三口烧瓶(22)上设有左、中、右瓶塞口(26、27、28),水浴槽(20)内置放水浴水(33),三口烧瓶(22)内为碳微球+无水乙醇+去离子水+十六烷基三甲基溴化铵混合液(32)。
6.根据权利要求1所述的一种空心二氧化硅球的制备方法,其特征在于:所述的二氧化硅包覆碳微球的制备是在水浴水为40℃±1℃的水浴状态下,在三口烧瓶中,在水循环冷凝过程中进行的,将三口烧瓶(22)置于水浴缸(40)上,将水浴缸(40)置于磁力搅拌器(34)上,在水浴缸(40)内为水浴水(33),在三口烧瓶(22)上设置左、中、右锥塞(23、24、25),在左锥塞(23)上置放温度计(39),在中锥塞(24)上置放水循环冷凝管(35),在右锥塞(25)上置放滴液漏斗(41),在滴液漏斗(41)上先后滴加氨水(29)、正硅酸乙酯(30),水循环冷凝管(35)上设有进水口(36)、出水口(37)、出气口(38),三口烧瓶(22)内置放碳微球+无水乙醇+去离子水+十六烷基三甲基溴化铵混合液(32)。
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