CN101959590B - 制备胶态金属氧化物颗粒的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了制备胶态金属氧化物颗粒的方法和含有胶态金属氧化物颗粒的组合物。

Description

制备胶态金属氧化物颗粒的方法
技术领域
本发明涉及制备胶态金属氧化物颗粒的方法。
背景技术
本领域中持续努力以高能效方式形成胶态金属氧化物颗粒。
在本领域中需要以高能效方式形成胶态金属氧化物颗粒，同时优化装置利用率的改进方法。
发明内容
本发明涉及形成胶态金属氧化物颗粒的新方法。公开的形成胶态金属氧化物颗粒的方法能够在接近最佳工艺条件下形成胶态金属氧化物颗粒，以便以非常有效的方式形成胶态金属氧化物颗粒。此外，公开的形成胶态金属氧化物颗粒的方法能够使反应器的利用率最优化，原因是形成胶态金属氧化物颗粒所需的反应周期减少。
公开的形成胶态金属氧化物颗粒的方法包括向反应器中添加一种或多种反应物的步骤，其中添加一种或多种反应物的步骤考虑了各种原位反应条件，包括但不限于(i)反应器内颗粒成核速率，(ii)反应器内存在的金属氧化物颗粒(例如种子金属氧化物颗粒和/或成核金属氧化物颗粒)上的金属氧化物沉积速率，和/或(iii)反应器内金属氧化物颗粒(例如种子金属氧化物颗粒和/或成核金属氧化物颗粒)的生长的至少一个。
在一个示例性实施方案中，制备胶态金属氧化物颗粒的方法包括以金属氧化物质量添加速率，向反应器中添加反应性金属氧化物的步骤，所述金属氧化物质量添加速率基于数学模型，该数学模型考虑了(i)颗粒成核速率，(ii)在存在的金属氧化物颗粒上金属氧化物沉积速率，和/或(iii)反应器中金属氧化物颗粒的生长的至少一个，其中金属氧化物质量添加速率作为反应时间的函数而升高。在另一个实施方案中，在至少一部分反应周期期间，添加速率为每小时每1000平方米(m2)的全部颗粒表面积，反应性金属氧化物大于10.0克(g/1000m2-hr)。在另一个示例性实施方案中，根据本发明的制备胶态金属氧化物颗粒的方法包括以根据数学模型的金属氧化物质量添加速率，向反应器中添加反应性金属氧化物的步骤，所述数学模型提供最优化金属氧化物质量添加速率q，所述q由下式表示
q＝(3moGr/Dpo 3)(Dpo+Grt)2
其中：
(a)m0表示反应器中金属氧化物颗粒的质量，以克(g)测量；
(b)Gr表示反应器中金属氧化物颗粒的金属氧化物颗粒生长速率，通过粒径增加测定并且以每小时纳米数(nm/hr)测量；
(c)Dpo表示平均金属氧化物粒径，以纳米(nm)测量；和
(d)t表示时间，以小时(hr)计。
公开的制备胶态金属氧化物颗粒的方法可以包括形成成核金属氧化物颗粒的步骤和/或使金属氧化物种子颗粒生长的步骤。在一个示例性实施方案中，制备胶态金属氧化物颗粒的方法包括向(i)含水和(ii)基本没有任何种子金属氧化物颗粒的反应器中添加一种或多种反应物的步骤，其中一种或多种反应物能够形成成核金属氧化物颗粒；在反应器内形成成核金属氧化物颗粒；和在反应器内使成核金属氧化物颗粒生长，以形成胶态金属氧化物颗粒，其中生长步骤包括在反应周期内增加一种或多种反应物的进料速率。
公开的制备胶态金属氧化物颗粒的方法能够以能量有效的方式生产胶态金属氧化物颗粒，形成胶态金属氧化物颗粒的反应周期显著少于常规反应周期。在一个示例性实施方案中，制备胶态金属氧化物颗粒的方法包括在反应周期内以金属氧化物质量添加速率向反应器中添加反应性金属氧化物的步骤，以形成平均最终粒径为约10nm至约200nm的胶态金属氧化物颗粒，其中反应周期比使用传统方法(例如恒定反应性金属氧化物进料速率)的相似反应周期短达50％。例如，使用本方法，可以在约21-28分钟的反应周期形成平均粒径为20-30nm的胶态金属氧化物颗粒，而形成相似尺寸胶态金属氧化物颗粒的常规方法需要至少30分钟，通常约31至40分钟的反应周期。
在另一个示例性实施方案中，制备胶态金属氧化物颗粒的方法包括在反应周期内以金属氧化物质量添加速率向反应器中添加反应性金属氧化物的步骤，以形成平均最终粒径为约20nm至约200nm的胶态金属氧化物颗粒，所述金属氧化物质量添加速率在反应周期期间至少增加一次。金属氧化物质量添加速率的增加可以为例如单步增加或多步增加。
本发明进一步涉及使用胶态金属氧化物颗粒的方法。在一个使用胶态金属氧化物颗粒的示例性方法中，该方法包括将胶态金属氧化物颗粒组合物施涂于基材上；和干燥胶态金属氧化物颗粒组合物，以在基材上形成涂层。
在考虑以下公开的实施方案的详细说明和所附权利要求之后，本发明的这些和其它特征和优点将变得明显。
附图说明
图1图解性地描绘随反应性金属氧化物浓度变化的(i)反应性金属氧化物的成核速率和(ii)反应性金属氧化物在存在的颗粒上的沉积速率；
图2图解性描绘有利于随反应性金属氧化物浓度变化的(i)反应性金属氧化物在存在的颗粒上的沉积速率，(ii)新的胶态金属氧化物颗粒的成核和(iii)(i)和(ii)两者的条件；
图3图解性描绘使用(i)本发明的最佳化反应性金属氧化物进料速率和(ii)常规方法中使用的恒定反应性金属氧化物进料速率，形成平均粒径为22nm的胶态金属氧化物颗粒所需的反应时间的减少；
图4图解性描绘使用本发明的优化方法的反应性金属氧化物的逐步添加，以紧密符合最佳的进料速率；和
图5图解性描绘通过本发明的优化方法形成的胶态二氧化硅颗粒对比通过常规方法(即恒定反应性二氧化硅进料速率)形成的胶态二氧化硅颗粒的粒度和表面积。
发明详述
为促进对本发明原理的理解，以下提供本发明特定具体实施方式的描述，特定语言用来描述特定实施方案。尽管如此，应理解并不希望利用特定语言限制本发明的范围。如本发明领域普通技术人员通常想到的，可考虑到所述本发明原理的改变、进一步改进和进一步应用。
应注意，正如在此和所附权利要求中所使用的，单数形式“一种”和“该”包括复数指示物，除非上下文另外清楚地指明。因此，例如提及“一种氧化物”包括复数的此类氧化物，和提及“氧化物”包括提及一种或多种氧化物及其本领域技术人员已知的等同物等。
“约”修饰所述公开内容实施方案中使用的例如组合物中的成分、浓度、体积、工艺温度、工艺时间、回收率或产率、流速和类似值以及其范围的量，表示例如可能由于典型测量和处理程序；由于这些步骤中的偶然误差；由于用来进行该方法的成分中的差异；和类似的近似原因发生的数值量的变化。术语“约”还包括由于具有特定起始浓度的配制料或混合物的老化而改变的量，以及由于混合或加工具有特定起始浓度的配制料或混合物而改变量。不论是否由术语“约”修饰，在此所附的权利要求包括这些量的等同物。
如在此使用的，“金属氧化物”定义为二元氧化合物(binary oxygencompound)，其中金属为阳离子，氧为阴离子。金属也可以包括准金属。金属包括元素周期表上从硼至钋所绘对角线的左边的那些元素。准金属或半金属包括该线条上的那些元素。金属氧化物的实例包括二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、氧化锆等及其混合物。
本发明涉及制备胶态金属氧化物颗粒的方法。本发明进一步涉及胶态金属氧化物颗粒，包括胶态金属氧化物颗粒的组合物，以及使用胶态金属氧化物颗粒的方法。以下提供示例性胶态金属氧化物颗粒、制备胶态金属氧化物颗粒的方法和使用胶态金属氧化物颗粒的方法的描述。
I.制备胶态金属氧化物颗粒的方法
本发明涉及制备胶态金属氧化物颗粒的方法。以下论述用于形成本发明胶态金属氧化物颗粒的原料，以及形成本发明胶态金属氧化物颗粒的方法步骤。
A.原料
公开的制备胶态金属氧化物颗粒的方法可以使用一种或多种以下原料来制备胶态二氧化硅颗粒，但是替代的原料可以用来形成其它类型的胶态金属氧化物材料，例如胶态氧化铝颗粒、胶态二氧化钛颗粒、胶态氧化锆颗粒等，及其组合。
1.硅酸盐
制备胶态二氧化硅颗粒的方法可以使用一种或多种含硅原料。合适的含硅原料包括但不限于硅酸盐，例如碱金属硅酸盐。理想地，使用一种或多种碱金属硅酸盐形成胶态二氧化硅颗粒。合适的碱金属硅酸盐包括但不限于硅酸钠、硅酸钾、硅酸钙、硅酸锂、硅酸镁及其组合。
合适的市售硅酸盐包括但不限于购自多个来源，包括PQCorporation(Valley Forge，PA)和Zaclon，Inc.(Cleveland，OH)的硅酸钠和硅酸钾。
2.离子交换树脂
在公开的方法中，任何单一硅酸盐或硅酸盐的组合可以与一种或多种阳离子交换树脂反应形成胶态二氧化硅颗粒。用于本发明的合适的阳离子交换树脂包括但不限于强酸阳离子(SAC)树脂、弱酸阳离子(WAC)树脂及其组合。
合适的市售阳离子交换树脂包括但不限于购自多个来源的阳离子交换树脂，包括Purolite Corporation(BaIa Cynwyd，PA)的例如以PUROLITE商标销售的那些，和Dow Chemical(Midland，MI)的例如以DOWEX商标销售的那些。
通常，以树脂添加速率将一种或多种阳离子交换树脂加入到反应器中，以保持反应器的pH为约8.0至约10.0，理想地为约9.2至约9.6。
3.种子金属氧化物颗粒
在本发明的一些实施方案中，种子金属氧化物颗粒用作起始原料。在这些实施方案中，可以使用购自多个供应商的种子胶态金属氧化物颗粒。用于本发明的合适的种子胶态金属氧化物颗粒包括但不限于种子胶态金属氧化物颗粒，例如购自Nissan Chemical America Corporation(Houston，TX)和Eka Chemicals，Inc.(Marietta，GA)的胶态二氧化硅颗粒。
B.工艺步骤
公开的制备胶态金属氧化物颗粒的方法包括下述多个步骤。
1.准备反应器
公开的制备胶态金属氧化物颗粒的方法能够以能量有效的方式生产胶态金属氧化物颗粒，形成胶态金属氧化物颗粒的反应周期显著少于常规反应周期。在一个示例性实施方案中，制备胶态金属氧化物颗粒的方法包括向(i)含水和(ii)基本无任何种子金属氧化物颗粒的反应器中添加一种或多种反应物的步骤，其中一种或多种反应物能够形成成核金属氧化物颗粒。在该实施方案中，准备反应器的步骤简单地包括向包含反应器中加入所需量的去电离(DI)水。
在其它实施方案中，制备胶态金属氧化物颗粒的方法包括向(i)去离子(DI)水和(ii)种子金属氧化物颗粒的反应器中添加一种或多种反应物的步骤，其中一种或多种反应物能够形成成核金属氧化物颗粒和/或使种子金属氧化物颗粒生长。在该实施方案中，准备反应器的步骤包括向反应器中加入(i)所需量的去电离(DI)水和(ii)所需量的种子金属氧化物颗粒。当使用时，种子金属氧化物颗粒通常具有约5nm至约15nm的初始平均粒度(即最大尺寸)。
2.添加反应性金属氧化物
公开的形成胶态金属氧化物颗粒的方法包括向反应器中添加一种或多种上述反应物的步骤，其中添加一种或多种反应物的步骤考虑了各种原位反应条件，所述反应条件包括但不限于(i)反应器内的颗粒成核速率，(ii)反应器内存在的金属氧化物颗粒(例如种子金属氧化物颗粒和/或成核金属氧化物颗粒)上的金属氧化物沉积速率，和/或(iii)反应器内金属氧化物颗粒(例如种子金属氧化物颗粒和/或成核金属氧化物颗粒)的生长的至少一个。公开的形成胶态金属氧化物颗粒的方法使反应物的进料速率相对于存在的金属氧化物颗粒上的反应性金属氧化物沉积速率平衡，以控制液相中反应性金属氧化物的过饱和程度。
在一个示例性实施方案中，制备胶态金属氧化物颗粒的方法包括以金属氧化物质量添加速率，向反应器中添加反应性金属氧化物的步骤，所述金属氧化物质量添加速率基于数学模型，该数学模型考虑了(i)颗粒成核速率，(ii)在存在的金属氧化物颗粒上金属氧化物沉积速率，和/或(iii)反应器中金属氧化物颗粒的生长的至少一个，其中金属氧化物质量添加速率作为反应时间的函数而升高。在另一个实施方案中，在至少一部分反应周期期间，添加速率为每小时每1000平方米(m2)的全部颗粒表面积，反应性金属氧化物大于10.0克(g/1000m2-hr)。在另一个示例性实施方案中，根据本发明的制备胶态金属氧化物颗粒的方法包括以根据数学模型的金属氧化物质量添加速率，向反应器中添加反应性金属氧化物的步骤，所述数学模型提供最优化金属氧化物质量添加速率q，所述q由下式表示
q＝(3moGr/Dpo 3)(Dpo+Grt)2
其中：
(a)m0表示反应器中金属氧化物颗粒的质量，以克(g)测量；
(b)Gr表示反应器中金属氧化物颗粒的金属氧化物颗粒生长速率，通过粒径增加测定并且以每小时纳米数(nm/hr)测量；
(c)Dpo表示平均金属氧化物粒径，以纳米(nm)测量；和
(d)t表示时间，以小时(hr)计。
在一些实施方案中，在至少一部分反应周期期间，Gr为约10至约50nm/hr，q为约10.6至约52.8g/1000m2-hr。在其它实施方案中，在至少一部分反应周期期间，Gr为约20至约40nm/hr，q为约21.1至约42.3g/1000m2-hr。
图1图解性地描绘随反应性金属氧化物浓度变化的(i)反应性金属氧化物的成核速率RN和(ii)存在的颗粒上反应性金属氧化物的沉积速率DR的曲线。如图1所示，在(i)反应性金属氧化物的浓度超过饱和浓度CS，和(ii)达到以CC标识的过饱和临界水平以前不发生成核。此时，随着反应性金属氧化物浓度提高，成核以指数速率进行，同时沉积速率继续沿着线性路径。
图2图解性描绘工艺条件，其随着反应性金属氧化物浓度升高而有利于(i)存在的颗粒上反应性金属氧化物的沉积速率(即在反应性金属氧化物浓度低于CC时)，(ii)新的胶态金属氧化物颗粒的成核(即在反应性金属氧化物浓度高于CC时)和(iii)(i)和(ii)两者(即在图2中所示的反应性金属氧化物浓度高于CC和低于浓度CN)。当反应性金属氧化物浓度升高超过图2中所示的CN时，较在存在的颗粒上沉积金属氧化物，工艺条件显著有利于新的金属氧化物颗粒的成核。
3.完成颗粒形成步骤
一旦已经达到所需的金属氧化物粒度，停止向反应器中添加反应物，向反应器中添加一定量的去离子水以使反应终止。
4.过滤步骤
终止步骤之后，可以使用过滤步骤(例如超滤步骤)来去除由一种或多种阳离子交换树脂与一种或多种金属氧化物原料反应产生的不希望有的盐。
C.工艺优势
公开的制备胶态金属氧化物颗粒的方法能够生产胶态金属氧化物颗粒，同时优化反应器时间和能量的利用率。在一些示例性实施方案中，制备胶态金属氧化物颗粒的方法能够在反应周期内制备平均最终粒径为约30nm至约200nm的胶态金属氧化物颗粒，所述反应周期显示较使用常规方法制备相同胶态金属氧化物颗粒所需的反应周期减少50％。
图3图解性描绘使用(i)本发明的优化反应性二氧化硅进料速率和(ii)常规方法中使用的恒定反应性二氧化硅进料速率，形成平均粒径为22nm的胶态二氧化硅颗粒所需的反应时间的减少。
图4图解性描绘使用本发明的优化方法的反应性二氧化硅的逐步添加，以紧密符合最佳的进料速率。如图4所示，公开的制备胶态二氧化硅颗粒的方法可以包括在给定反应周期期间，一次或多次逐步升高反应性二氧化硅进料速率。尽管图4中仅显示两步或三步法，但是任何步数提高反应性二氧化硅进料速率均可以用于本发明，以紧密地遵循由图4中所示“最佳”线条描绘的最佳进料速率。
II.产生的胶态金属氧化物颗粒
上述本发明方法中形成的胶态金属氧化物颗粒，具有与在下述形成胶态金属氧化物颗粒的常规方法中形成的胶态金属氧化物颗粒相似的物理结构和性能。
A.金属氧化物颗粒尺寸
本发明的胶态金属氧化物颗粒具有有着平均最大颗粒尺寸(即最大直径尺寸)的球状颗粒形状。通常，本发明的胶态金属氧化物颗粒具有低于约700μm，更通常低于约100μm的平均最大颗粒尺寸。在本发明的一个理想实施方案中，胶态金属氧化物颗粒具有约10.0至约100μm，更理想约10.0至约30μm的平均最大颗粒尺寸。
本发明的胶态金属氧化物颗粒通常具有低于约1.4的长宽比，例如使用透射电子显微镜(TEM)技术测量的。如在此使用的，术语“长宽比”用来描述(i)胶态金属氧化物颗粒的平均最大颗粒尺寸和(ii)胶态金属氧化物颗粒的平均最大截面颗粒尺寸之间的比率，其中该截面颗粒尺寸基本上垂直于胶态金属氧化物颗粒的最大颗粒尺寸。在本发明的一些实施方案中，胶态金属氧化物颗粒具有低于约1.3(或低于约1.2，或低于约1.1，或低于约1.05)的长宽比。通常，胶态金属氧化物颗粒具有约1.0至约1.2的长宽比。
B.金属氧化物颗粒表面积
本发明的胶态金属氧化物颗粒具有与由常规方法形成的胶态金属氧化物颗粒相似的平均表面积。通常，本发明的胶态金属氧化物颗粒具有约90m2/g至约180m2/g的平均表面积。理想地，本发明的胶态金属氧化物颗粒具有约100m2/g至约160m2/g，更理想约110m2/g至约150m2/g的平均表面积。
图5图解性比较由本发明的优化方法形成的胶态金属氧化物颗粒，在这种情况下为胶态二氧化硅颗粒，和由常规方法(即未优化方法，也即恒定金属氧化物原料进料速率)形成的胶态二氧化硅颗粒。如图5所示，由常规方法形成的胶态二氧化硅颗粒具有约27.6nm的平均粒度和约136m2/g的平均颗粒表面积，而由本发明的优化方法形成的胶态二氧化硅颗粒具有约28.7nm的平均粒度和约142m2/g的平均颗粒表面积。
如图5所示，由本发明的优化方法形成的胶态金属氧化物(例如二氧化硅)颗粒基本上可以生产类似由常规方法形成的胶态金属氧化物颗粒。但是，正如以上讨论的，由本发明的优化方法形成的胶态金属氧化物颗粒可以以更有效的方式制备，所述更有效的方式少使用高达50％的反应器时间和工艺能量。
III.使用金属氧化物颗粒的方法
本发明进一步涉及使用上述方法中形成的胶态金属氧化物颗粒的方法。在一个使用胶态金属氧化物颗粒的示例性方法中，该方法包括将胶态金属氧化物颗粒组合物施涂于基材上；和干燥胶态金属氧化物颗粒组合物，以在基材上形成涂层。
合适的基材包括但不限于纸、聚合物薄膜、聚合物泡沫、玻璃、金属、陶瓷和织物。
在其它示例性实施方案中，使用胶态金属氧化物颗粒的方法包括使用胶态金属氧化物颗粒作为微电子或其它制品的磨料/抛光组合物。在其它示例性实施方案中，使用胶态金属氧化物颗粒的方法包括使用胶态金属氧化物颗粒作为油漆中的添加剂，以改善干燥漆膜的机械性能。
实施例
本发明进一步通过以下实施例进行说明，它们不以任何方式解释为对本发明范围进行的限制。相反地，可以清楚地理解，在阅读这里的叙述之后，在不脱离本发明的精神和/或所附权利要求的范围的前提下，本领域技术人员可以采取本身可以被本领域技术人员所想到的各种其它实施方案、改进方案和它们的等同物。
实施例1
使用种子二氧化硅颗粒和优化的硅酸盐添加速率来制备胶态二氧化硅颗粒
将28.4千克(kg)(62.6磅(lb))的去离子(DI)水加入到113.5升(l)(30加仑(gal))的加热搅拌容器中，向该容器中添加4.9kg(10.9lb)的12nm胶态二氧化硅材料的40wt％固体悬浮液作为种子材料。搅拌的同时加热该混合物，并保持在90-96℃。然后以相当于167.8克(g)SiO2/min(0.37lbSiO2/min)的初始硅酸盐添加速率，向容器中同时加入硅酸钠(29wt％SiO2，9wt％Na2O)和强酸离子交换树脂。10分钟之后，将硅酸盐添加速率增加至317.5g SiO2/min(0.70lb SiO2/min)并在该较高速率下保持另外11分钟。
整个工艺期间，控制树脂添加速率，保持容器的pH为9.2-9.6。硅酸盐添加21分钟之后，停止两者的添加，通过添加DI水来使反应终止。
测定所得产物，具有22+2nm的粒度，具有小颗粒的额外成核的最小示值。
对比例1
使用种子二氧化硅颗粒和恒定硅酸盐添加速率来制备胶态二氧化硅颗粒
重复实施例1中的步骤，除了在工艺期间保持相当于167.8克(g)SiO2/min(0.37lb SiO2/min)的硅酸盐添加速率。控制树脂添加速率，保持容器的pH为9.2-9.6。该工艺持续31分钟，之后停止添加硅酸盐和离子交换树脂，并通过添加DI水使生长反应终止。
测定所得产物，具有22+2nm的粒度。
虽然已经利用有限的实施方案描述了本发明，但是这些特殊实施方案并不希望限制本发明的范围，如在此另外描述和要求的。显而易见的是当本领域普通技术人员阅读本文的示例性实施方案时，进一步的改进、同等物和变化是可能的。除非另作说明，实施例以及说明书其余部分中的所有份数和百分数按重量计。此外，说明书或权利要求中所述的任何数值范围，例如表示性能、测量单位、条件、物理状态或百分数的特定组合的数值范围，是用来通过引用或以其它方式在字面上清楚地表示落入该范围内的任何数值，包括所述任何范围内的任何数值的子集。例如，无论何时公开具有下限RL和上限RU的数值范围，落入该范围内的任何数值R被具体地公开。具体地，该范围内的以下数值R被具体公开：R＝RL+k(RU-RL)，其中k为具有1％增量的1％至100％的变量，例如k为1％、2％3％4％、5％…50％、51％、52％…95％、96％、97％、98％、99％或100％。此外，如以上计算的R的任何两个值表示的任何数值范围也被具体公开。根据上述说明书和附图，除了那些本发明示出的和记载的，任何对本发明的改进对于本领域技术人员来说也将变得显而易见。这种改进落在附加的权利要求范围内。将这里所列举的所有出版物以其整个内容引入作为参考。

Claims (21)

1.一种制备胶态金属氧化物颗粒的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)以金属氧化物质量添加速率，向容器中添加反应性金属氧化物，所述金属氧化物质量添加速率基于数学模型，该数学模型考虑了(i)颗粒成核速率，(ii)在存在的金属氧化物颗粒上金属氧化物沉积速率，和(iii)容器中金属氧化物颗粒的生长，和(b)将所述金属氧化物质量添加速率作为时间的函数以通过所述数学模型计算的速率而升高，其中数学模型提供最优化的以g/(1000m2·h)计的金属氧化物质量添加速率q，q由下式表示：
q＝(3moGr/Dpo 3)(Dpo+Grt)2
其中：
m0表示容器中在金属氧化物颗粒生长之前的金属氧化物颗粒的质量，以克测量；
Gr表示容器中金属氧化物颗粒的金属氧化物颗粒生长速率，通过粒径增加测定并且以纳米/小时测量；
Dpo表示在金属氧化物颗粒生长之前的平均金属氧化物粒径，以纳米测量；和
t表示时间，以小时计。
2.权利要求1的方法，其中在反应周期至少一部分期间，Gr为10至50nm/hr，质量添加速率为10.6至52.8g/(1000m2·h)。
3.权利要求1的方法，其中在反应周期至少一部分期间，Gr为20至40nm/hr，质量添加速率为21.1至42.3g/(1000m2·h)。
4.权利要求1的方法，其中在反应周期至少一部分期间，金属氧化物质量添加速率为每小时每1000平方米的全部颗粒表面积，反应性金属氧化物大于10.0克。
5.权利要求1的方法，其中添加反应性金属氧化物的步骤包括在反应周期期间一次或多次逐步升高金属氧化物质量添加速率。
6.权利要求1的方法，进一步包括以下步骤：
在添加所述反应性金属氧化物的步骤之前将种子金属氧化物颗粒引入到容器中。
7.权利要求6的方法，其中种子金属氧化物颗粒具有5nm至15nm的初始平均粒度。
8.权利要求1的方法，进一步包括以下步骤：
作为向容器中添加所述反应性金属氧化物的步骤的结果，在容器中形成成核金属氧化物颗粒。
9.权利要求8的方法，进一步包括以下步骤：
在添加所述反应性金属氧化物的步骤之前，向容器中初始添加水溶液，该水溶液基本不含金属氧化物。
10.权利要求1的方法，其中所述反应性金属氧化物是一种或多种硅酸盐。
11.权利要求1的方法，其中当与其中金属氧化物质量添加速率恒定并且低于10.0g/(1000m2·h)的形成金属氧化物颗粒的方法相比，反应周期表示反应时间至少减少50％。
12.一种制备胶态金属氧化物颗粒的方法，包括：以根据数学模型的金属氧化物质量添加速率，向容器中添加反应性金属氧化物，所述数学模型提供最优化的以g/(1000m2·h)计的金属氧化物质量添加速率q，该q由下式表示：
q＝(3m0Gr/Dpo 3)(Dpo+Grt)2
其中：
(a)m0表示容器中在金属氧化物颗粒生长之前的金属氧化物颗粒的质量，以克测量；
(b)Gr表示容器中金属氧化物颗粒的金属氧化物颗粒生长速率，通过粒径增加测定并且以纳米/小时测量；
(c)Dpo表示在金属氧化物颗粒生长之前的平均金属氧化物粒径，以纳米测量；和
(d)t表示时间，以小时计。
13.一种制备胶态二氧化硅颗粒的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)以二氧化硅质量添加速率，向容器中添加反应性二氧化硅，所述二氧化硅质量添加速率基于数学模型，该数学模型考虑了(i)颗粒成核速率，(ii)在存在的二氧化硅颗粒上二氧化硅沉积速率，和(iii)容器中二氧化硅颗粒的生长，和(b)在至少一部分反应周期期间，将二氧化硅质量添加速率作为时间的函数以通过所述数学模型计算的速率而升高，并且为每小时每1000平方米全部颗粒表面积，二氧化硅大于10.0克，
其中数学模型提供最优化的以g/(1000m2·h)计的二氧化硅质量添加速率q，q由下式表示：
q＝(3m0Gr/Dpo 3)(Dpo+Grt)2
其中：
m0表示容器中在二氧化硅颗粒生长之前的二氧化硅颗粒的质量，以克测量；
Gr表示容器中二氧化硅颗粒的二氧化硅颗粒生长速率，通过粒径增加测定并且以纳米/小时测量；
Dpo表示在二氧化硅颗粒生长之前的平均二氧化硅粒径，以纳米测量；和
t表示时间，以小时计。
14.权利要求13的方法，其中在反应周期至少一部分期间，Gr为10至50nm/hr，质量添加速率为10.6至52.8g/(1000m2·h)。
15.权利要求13的方法，其中在反应周期至少一部分期间，Gr为20至40nm/hr，质量添加速率为21.1至42.3g/(1000m2·h)。
16.权利要求13的方法，其中添加所述反应性二氧化硅的步骤包括在反应周期期间一次或多次逐步升高二氧化硅质量添加速率。
17.权利要求13的方法，进一步包括以下步骤：
在添加反应性二氧化硅的步骤之前将种子二氧化硅颗粒引入到容器中。
18.权利要求17的方法，其中种子二氧化硅颗粒具有5nm至15nm的初始平均粒度。
19.权利要求13的方法，进一步包括以下步骤：
作为向容器中添加所述反应性二氧化硅的步骤的结果，在容器中形成成核二氧化硅颗粒。
20.权利要求19的方法，进一步包括以下步骤：
在添加所述反应性二氧化硅的步骤之前，向容器中初始添加水溶液，该水溶液基本不含二氧化硅。
21.权利要求13的方法，其中当与其中二氧化硅质量添加速率恒定并且低于10.0g/(1000m2·h)的形成二氧化硅颗粒的方法相比，反应周期表示反应时间至少减少50％。
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