CN102795632A

CN102795632A - 一种自蔓延低温燃烧制备超细硅微粉的方法

Info

Publication number: CN102795632A
Application number: CN2012101063259A
Authority: CN
Inventors: 雷水金; 汪春英; 刘磊; 周浪
Original assignee: Nanchang University
Current assignee: Ruijin Hongdu Industrial Investment Development Co Ltd
Priority date: 2012-04-12
Filing date: 2012-04-12
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2032-04-12
Also published as: CN102795632B

Abstract

一种自蔓延低温燃烧制备超细硅微粉的方法，其特征是包括硅酸钠的制备、硅酸溶胶的制备、混合燃烧液的制备、燃烧反应、退火除碳、洗涤处理等步骤。本发明所涉及的技术方法具有以下明显优点：1、本发明虽然以熔融硅微粉为原料，也可以推广至以天然粉石英为原料；2、工艺极其简单，无特殊设备要求，操作方便，易于控制，生产成本低；3、生产过程中使用的材料仅包含极易溶于水的钠离子和硝酸根离子，不会引入其他杂质离子，有利于高纯硅微粉的制备。

Description

一种自蔓延低温燃烧制备超细硅微粉的方法

技术领域

本发明属于无机材料化学领域，涉及一种硅微粉的制备方法。

背景技术

硅微粉（二氧化硅微粉，Silica Fine Powder）是一类用途极为广泛的材料，被广泛用于化工、电子、集成电路、太阳能电池、塑料、涂料、高级油漆、橡胶、国防等领域。它具有无毒、无味、无污染、耐高温性能好、耐酸碱腐蚀、热膨胀系数低、导热系数小、高绝缘、硬度大、资源丰富等特点。

目前，制备超细硅微粉的方法包括物理法和化学法。物理法主要是将石英粉利用不同加热方式高温熔融，再通过机械粉碎的方式获得。该类方法工艺设备复杂，生产成本高，高温的需求使其能耗较大，且天然石英粉中的放射性元素很难去除。化学法中较为普遍的是溶胶-凝胶法。典型的方法如中国专利CN 1188075等，利用水玻璃和无机酸为原料，通过控制溶剂、乳化剂与水玻璃的比例、乳化时的转速以及添加剂的用量等工艺参数，从而制备出硅微粉。但该类方法工艺复杂，参数较难控制，且使用了大量的表面活性剂和有机添加剂，对产品的后续处理以及环境的友好化不利；另一种典型方法如中国专利CN 101037206、CN 101570332等，将硅溶胶真空干燥或喷雾干燥，再利用等离子体火焰或气体火焰进行煅烧，通过研磨最终获得硅微粉。此类方法不仅工艺过程复杂，而且设备要求苛刻，制备成本同样很高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种以熔融二氧化硅为原料制备超细硅微粉的方法。该方法无需复杂设备，工艺条件简单，易于操作控制，合成成本低，在规模化生产中具有较明显的优势。

本发明是通过以下技术方案实现的。

1）硅酸钠的制备。将熔融硅微粉与碳酸钠按摩尔比1：2.5~3.5的比例混合均匀，恒温900~1000℃下进行熔融反应，冷却至室温后得硅酸钠固体，并研磨成粉。

2）硅酸溶胶的制备。称取步骤1）中所制备的硅酸钠粉体置于容器中，加入少量水，充分搅拌使硅酸钠完全溶解，形成硅酸钠溶液，其浓度为1.5~2M。按HNO₃与Na₂SiO₃的摩尔比为1.5~10：1的量，向硅酸钠溶液中缓慢滴加浓硝酸，并保持快速搅拌，制得硅酸溶胶。加入硝酸的作用包括两个方面，一方面是将硅酸钠酸化为硅酸溶胶，另一方面是作为燃烧反应的强氧化剂。

3）混合燃烧液的制备。按三乙醇胺与硝酸的体积比为4~20：1的量，向步骤2）的硅酸溶胶中加入三乙醇胺，继续搅拌至均匀状态，制得混合燃烧液。三乙醇胺主要是作为低闪点的还原剂，与硝酸发生剧烈氧化还原反应，从而达到自燃烧的目的。

4）燃烧反应。将装步骤3）的混合燃烧液的容器置于干燥箱，进行自蔓延燃烧，燃烧反应结束后，立即关闭干燥箱。

5）退火除碳。将步骤4）中燃烧反应后所得到的粉灰在600~800℃下进行退火，得白色样品。

6）洗涤处理。将步骤5）中退火所得的样品置于干净的容器中，加入大量的热水，充分搅拌，通过抽滤、干燥制得硅微粉。

以上述步骤所制备的产品经X-射线衍射分析鉴定为无定形结构二氧化硅纯相，经扫描电子显微镜分析所得硅微粉粒径为100nm左右。

本发明所涉及的技术方法具有以下明显优点：1. 本发明虽然以熔融硅微粉为原料，但可以推广至以天然粉石英为原料（其成分同为SiO₂），因为真正的反应初始物实际上是硅酸钠；2. 工艺极其简单，无特殊设备要求，操作方便，易于控制，生产成本低；3. 生产过程中使用的材料仅包含极易溶于水的钠离子和硝酸根离子，不会引入其他杂质离子，有利于高纯硅微粉的制备。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合具体的实施例对本发明做进一步说明，但本发明的保护内容并不局限于下列实施例。

实施例1。

本实施例是以工业熔融硅微粉为原料，以硝酸为氧化剂，以三乙醇胺为还原剂，利用自蔓延低温燃烧硅酸溶胶的方法制备超细硅微粉，具体工艺过程如下。

1）将角形熔融硅微粉与碳酸钠按摩尔比1:3的比例混合均匀，在1000℃下熔融反应半小时，冷却至室温后得到硅酸钠固体，并研磨成粉。

2）称取2g硅酸钠粉体，在250mL烧杯中搅拌溶解于10mL水中，形成澄清的硅酸钠溶液。在快速持续的搅拌下，缓慢滴加6~10mL浓硝酸（65~68%），继续搅拌半小时左右至反应完全，得到粘稠的硅酸溶胶。

3）向硅酸溶胶中加入40mL三乙醇胺，继续搅拌约30分钟至混合成均匀体系，得到较稀释的混合燃烧液。

4）将燃烧液置于恒温干燥箱中，随着溶液温度的不断升高，在250℃左右，由于硝酸和三乙醇胺之间发生剧烈的氧化还原反应，释放出大量的热，引发三乙醇胺燃烧，并发生自蔓延反应，瞬间的高温使得硅酸迅速分解为二氧化硅，同时引起三乙醇胺的碳化，烧杯中充满蓬松的灰黑色粉灰。因为燃烧反应释放大量热量会使干燥箱箱体温度迅速上升，因此，燃烧反应结束后，立即关闭干燥箱。

5）为了除去有机物碳化引起的碳杂质，将燃烧后得到的粉灰放入坩埚，在马弗炉中800℃退火6小时，得白色样品。

6）为了尽可能减少产物中钠离子的含量，将退火后的样品置于干净的烧杯中，加入100mL 80~90℃的热水，充分搅拌，抽滤，重复洗涤数次后，60℃干燥4~5小时，制得高纯超细硅微粉。

实施例2。

本实施例是以工业熔融硅微粉为原料，以硝酸为氧化剂，以三乙醇胺为还原剂，利用自蔓延低温燃烧硅酸溶胶的方法制备超细硅微粉。

1）将熔融硅微粉与碳酸钠按摩尔比1:3的比例混合均匀，在1000 ℃下熔融反应半小时，冷却至室温后得到硅酸钠固体，并研磨成粉。

2）称取2g硅酸钠粉体置于250mL烧杯中，充分搅拌溶解于10mL水中，形成澄清的硅酸钠溶液。在快速持续的搅拌下，缓慢滴加2~4mL浓硝酸（65~68%），继续搅拌半小时左右至反应完全，得到粘稠的硅酸溶胶。

4）将配置好的燃烧液置于恒温干燥箱中，随着溶液温度的不断升高，在250℃左右，由于硝酸和三乙醇胺之间发生剧烈的氧化还原反应，释放出大量的热，引发三乙醇胺燃烧，并发生自蔓延反应。瞬间的高温反应使得硅酸迅速分解为二氧化硅，同时引起三乙醇胺的碳化。但因为加入硝酸的量较少，引发燃烧所需的时间相对加长，且燃烧不够充分，在烧杯底部形成大量灰白色沉积物粉灰。由于燃烧反应释放大量热量会使干燥箱箱体温度迅速上升，因此，燃烧反应结束后，立即关闭干燥箱。

5）为了除去有机物碳化引起的碳杂质，将燃烧后得到的沉积物粉灰放入坩埚，在马弗炉中800℃退火6小时，得白色样品。

6）为了尽可能减少产物中钠离子的含量，将退火后的样品置于干净的烧杯中，加入100mL 80~90℃的热水，充分搅拌，抽滤，如此重复洗涤数次后，60℃干燥4~5小时，制得高纯超细硅微粉。

Claims

1.一种自蔓延低温燃烧制备超细硅微粉的方法，其特征是按以下步骤：

1）将熔融硅微粉与碳酸钠按摩尔比1：2.5~3.5的比例混合均匀，恒温900~1000℃下进行熔融反应，冷却至室温后得硅酸钠固体，并研磨成粉；

2）称取步骤1）中所制备的硅酸钠粉体置于容器中，加入少量水，充分搅拌使硅酸钠完全溶解，形成硅酸钠溶液，其浓度为1.5~2M；按HNO₃与Na₂SiO₃的摩尔比为1.5~10：1的量，向硅酸钠溶液中缓慢滴加浓硝酸，并保持快速搅拌，制得硅酸溶胶；

3）按三乙醇胺与硝酸的体积比为4~20：1的量，向步骤2）的硅酸溶胶中加入三乙醇胺，继续搅拌至均匀状态，制得混合燃烧液；

4）将装步骤3）的混合燃烧液的容器置于干燥箱，进行自蔓延燃烧，燃烧反应结束后，立即关闭干燥箱；

5）将步骤4）中燃烧反应后所得到的粉灰在600~800℃下进行退火，得白色样品；

6）将步骤5）中退火所得的样品置于干净的容器中，加入大量的热水，充分搅拌，通过抽滤、干燥制得硅微粉。