CN101746767A - 一种制备高纯球形纳米二氧化硅的方法 - Google Patents

一种制备高纯球形纳米二氧化硅的方法 Download PDF

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杨振伟
魏奎先
朱文杰
伍继君
刘大春
刘永成
周晓奎
戴永年
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Abstract

本发明属于一种高纯球形纳米二氧化硅的制备方法，特别是用等离子体氢热还原法制备高纯球形纳米二氧化硅的方法，属于材料技术领域。本发明工艺步骤如下：将含SiO2原料在450～1000℃下处理，研磨成粉，酸浸除杂；等离子体反应炉内密闭进行氢热还原，生成Si气体和SiO气体；以10～1000℃/min的速度冷却，SiO歧化反应，离开等离子体区的气体生成Si和SiO2球形纳米颗粒；SiO2和Si的混合物加热到300～800℃氧化处理，最后得到高纯球形纳米SiO2。本方法获得的球形纳米SiO2纯度大于99.99％，粒度分布均匀，平均粒径为50～200纳米。工艺流程短、成本低、经济效益高、节能环保。

Description

一种制备高纯球形纳米二氧化硅的方法
一、技术领域
本发明属于一种高纯球形纳米二氧化硅的制备方法，特别是用等离子体氢热还原法制备高纯球形纳米二氧化硅的方法，属于材料技术领域。
二、背景技术
纳米SiO2是应用较早的纳米材料之一，已被广泛的应用于橡胶改性、工程塑料、陶瓷、生物、医学、光学、建材、树脂基复合材料中。近年来，发达国家开发了纳米SiO2的一些新的应用领域。如在农业中，应用纳米SiO2制作农业种子处理剂，可使蔬菜(甘蓝、西红柿、黄瓜)棉花、玉米、小麦提高产量，提前成熟期。在食品行业中，添加了纳米SiO2的食品包装袋，对水果、蔬菜可起到保鲜作用；应用纳米SiO2于酒类生产中可起到净化和延长保鲜期的作用；纳米SiO2还可作为防治水果、蔬菜各种疾病的高效杀菌剂。高纯球形纳米SiO2作为一种新型材料，具有亲水性、稳定性、高介电、高耐热、高耐湿、高填充量、低膨胀、低应力、低杂质、低摩擦系数。市场潜力巨大，经济效益明显。目前，国内应用的高纯球形纳米SiO2基本依赖于进口。高纯球形纳米SiO2粉体的研究，对于诸多行业产品的提档升级具有极其重要的意义，也将会大大改变高纯球形纳米SiO2仅依赖于进口的局面。
近年来，我国对纳米SiO2的研究进展迅速，但对高纯球形纳米SiO2的研究较少。目前，制备高纯球形纳米SiO2的方法主要有高温熔融法、机械整形法、化学气相沉积法以及溶胶一凝胶法等等，但是效果不是很理想，如高温熔融法生产的高纯球形纳米SiO2的成球率只能达到80％左右，且温度高，装置要求较苛刻、技术参数较难控制，不易获得较高纯度、粒度均匀的产品。化学气相沉积法原料昂贵、能耗高、技术复杂、对设备要求苛刻，其制得的SiO2的应用也很有限。因此需要开发一种工艺简单、成本低、经济效益高、更加有效地利用二次资源的高纯球形纳米二氧化硅的制备方法。
三、发明内容
本发明的目的是提供一种制备高纯球形纳米二氧化硅的方法，其工艺简单、成本低、经济效益高、原料价格低廉、节能环保。
实现本发明上述目的采用的技术步骤如下：将含SiO2原料在450～1000℃下处理，研磨成粉，酸浸除杂；等离子体反应炉内密闭进行氢热还原，生成Si气体和SiO气体；以10～1000℃/min的速度冷却，SiO歧化反应，离开等离子体区的气体生成Si和SiO2球形纳米颗粒；SiO2和Si的混合物加热到300～800℃氧化处理，最后得到高纯球形纳米SiO2。
本发明的具体技术方案为：
(1)含SiO2原料加热处理时间为1～5h，研磨粒度为50目以下，采用0.5～4mol/L盐酸酸浸，时间为0.1～3h，酸浸后用蒸馏水洗涤2～5次，在真空干燥箱里烘干，烘干温度为80～120℃，时间为0.5～3h，最后将粉末在0.6～5MPa下压块；
(2)离子体反应炉内反应压力控制在10～110kPa，氢气流量为1～10L/min，反应时间为10～50min；
(3)SiO2和Si的混合物加热氧化处理时间为10～60min，氧气流速为0.25L/min～10L/min。
在所述的离子体反应炉内反应时还通入氩作为保护气，氩气流量为10～100L/min。
上述的含SiO2原料采用火力发电厂燃料燃烧灰、稻壳灰、二氧化硅矿中的一种或几种。
与现有的制备高纯球形纳米SiO2的方法相比，本发明具有以下优点：
1.工艺简单：
本发明对操作技术和设备的要求都相对较低，因此较容易工业化实施。
2.经济效益高：
本工艺使用的原料为火力发电厂燃烧灰、稻壳灰和二氧化硅矿，价格低廉；直接用等离子体氢热还原，无须添加任何其他还原剂和添加剂，并且工艺流程简单，省去了大量的工艺步骤，能源消耗大大降低，从而可以大幅度提高经济效益。
3.节能环保：
本发明可以处理的原料(火力发电厂燃烧灰、稻壳灰等)是工业废弃物，如果直接丢弃，会造成环境污染。本工艺步骤简单，能耗低，并且没有废弃物排出，做到了变废为宝、环保节能。
四、附图说明
图1为本发明工艺流程示意图。
五、具体实施方式
实施例一
使用火力发电厂燃料燃烧灰(二氧化硅含量为80wt％)为原料。首先将原料进行高温处理，温度控制在800℃，处理时间为2h；自然冷却后研磨成50目以下粉末并采用盐酸酸浸处理进行除杂，盐酸浓度为3mol/L，处理时间为1h；经蒸馏水洗涤3次后在真空干燥箱里烘干，烘干温度为120℃，时间为1h；最后将粉末压块，成型压力为4MPa。置于氢氩等离子体反应炉内进行氢热还原，控制压力为100kPa，氩气流速为50L/min，氢气流速为5L/min。反应15min，得到SiO气体和Si气体；在离开等离子体区时，以800℃/min的速度冷却，SiO气体发生歧化反应生成球形纳米Si和SiO2，同时Si气体迅速凝结成球形纳米Si颗粒。将得到的混合物经过氧化处理，氧气流速为1.5L/min，氧化温度为380℃，时间为15min，最终得到高纯球形纳米SiO2。所得到的高纯球形纳米SiO2的纯度为99.993％，粒度分布均匀，平均粒径为55纳米。
实施例二
使用稻壳灰(二氧化硅含量为95wt％)为原料。首先将物料进行高温处理，温度控制在850℃，处理时间为4h；自然冷却后研磨成50目以下粉末并采用盐酸酸浸处理进行除杂，盐酸浓度为3.5mol/L，处理时间为2.5h；经蒸馏水洗涤3次后在真空干燥箱里烘干，温度为120℃，时间为1.5h；最后将粉末压块，成型压力为4MPa。置于等离子体反应炉内，控制压力为90kPa；氩气流速为80L/min，氢气流速为8L/min，反应20min，得到SiO气体和Si气体；在离开等离子体区时，以500℃/min的速度冷却，SiO气体发生歧化反应生成球形纳米Si和SiO2，同时Si气体迅速凝结成球形纳米Si颗粒。将得到的混合物经过氧化处理，氧气流速为1.2L/min，氧化温度为560℃，时间为10min，最终得到高纯球形纳米SiO2。所得到的高纯球形纳米二氧化硅的纯度为99.992％，粒度分布均匀，平均粒径为60纳米。
实施例三
使用含二氧化硅为99wt％的二氧化硅石英砂为原料。首先将物料进行高温处理，温度控制在650℃，处理时间为3h；自然冷却后研磨成50目以下粉末并采用盐酸酸浸处理进行除杂，盐酸浓度为1mol/L，处理时间为0.5h；经蒸馏水洗涤2次后在真空干燥箱里烘干，温度为120℃，时间为1h；最后将粉末压块，成型压力为4MPa。置于等离子体反应炉内，控制压力为11OkPa；氩气流速为80L/min，氢气流速为8L/min，反应20min，得到SiO气体和Si气体；在离开等离子体区时，以300℃/min的速度冷却，SiO气体发生歧化反应生成球形纳米Si和SiO2，同时Si气体迅速凝结成球形纳米Si颗粒。将得到的混合物经过氧化处理，氧气流速为1.8L/min，氧化温度为750℃，时间为20min，最终得到高纯球形纳米SiO2。所得到的高纯球形纳米二氧化硅的纯度为99.995％，粒度分布均匀，平均粒径为90纳米。

Claims (4)

1.一种制备高纯球形纳米二氧化硅的方法，其特征是工艺步骤如下：将含SiO2原料在450～1000℃下处理，研磨成粉，酸浸除杂；等离子体反应炉内密闭进行氢热还原，生成Si气体和SiO气体；以10～1000℃/min的速度冷却，SiO歧化反应，离开等离子体区的气体生成Si和SiO2球形纳米颗粒；SiO2和Si的混合物加热到300～800℃氧化处理，最后得到高纯球形纳米SiO2。
2.按权利要求1所述的制备高纯球形纳米二氧化硅的方法，其特征是：
(1)含SiO2原料加热处理时间为1～5h，研磨粒度为50目以下，采用0.5～4mol/L盐酸酸浸，时间为0.1～3h，酸浸后用蒸馏水洗涤2～5次，在真空干燥箱里烘干，烘干温度为80～120℃，时间为0.5～3h，最后将粉末在0.6～5MPa下压块；
(2)离子体反应炉内反应压力控制在10～110kPa，氢气流量为1～10L/min，反应时间为10～50min；
(3)SiO2和Si的混合物加热氧化处理时间为10～60min，氧气流速为0.25L/min～10L/min。
3.按权利要求2所述的制备高纯球形纳米二氧化硅的方法，其特征是：离子体反应炉内反应时通入氩作为保护气，氩气流量为10～100L/min。
4.按权利要求2所述的制备高纯球形纳米二氧化硅的方法，其特征是：含SiO2原料采用火力发电厂燃料燃烧灰、稻壳灰、二氧化硅矿中的一种或几种。
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