CN102976340A - 一种采用梯度法制备高致密度氧化硅微球的方法 - Google Patents
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Abstract
一种采用梯度法制备高致密度氧化硅微球的方法，步骤一、将纳米级二氧化硅通过分散剂聚丙烯酸铵分散在蒸馏水中，用氨水调节溶液的pH值至9-11，最后球磨10h制成喷雾造粒的浆料，然后将浆料泵入到喷雾干燥机中进行喷雾造粒，制得分散性好的氧化硅微球；步骤二、将步骤一得到的氧化硅微球以10℃—100℃的温度间隔分梯度煅烧到1000℃—1300℃，最终得到粒度分布100nm—50μm以内高致密度的氧化硅微球，本发明制备过程简单，生产成本低等特点。
Description
技术领域
本发明涉及涂料、颜料、复合材料、催化剂载体、电子封装材料等领域，特别涉及一种采用梯度法制备高致密度氧化硅微球的方法。
背景技术
高致密度氧化硅微球是一种独特而性能稳定的微小球型材料，具有高密度，分散性好，热稳定性好以及强度高等优点。呈规则球形的氧化硅颗粒相比通常的氧化硅颗粒还具有一些特殊的用途，如树脂基牙科充填材料的填料、液晶显示器分级层的位阻材料。但是，亚微米级氧化硅微球具有比较大的表面能，在静态烧结的条件下，既要使粉体颗粒保持较好的分散性又要使单个颗粒致密，这是比较难实现的；在国外的一些研究中，往往是通过使用充气式外部加热管式烧结炉，在动态条件下实现致密氧化硅微球的制备（Adv.Powder Technol.2008.12.003），这种方法一般要求粉体的粒径分布不能太宽，同时氧化硅微球在炉中的保温时间也较短，这就会影响微球的致密化过程，可能会形成内部不完全致密的微球，除此之外，实验所用到的仪器也比较复杂。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种采用梯度法制备高致密度氧化硅微球的方法，采用梯度烧结法，工艺简单，同时解决了亚微米级粉体在烧结过程中的团聚问题，能够制备出具有球形结构，分散性比较好，致密度高以及强度高的二氧化硅粉体。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种采用梯度法制备高致密度氧化硅微球的方法，包括以下步骤：
步骤一、氧化硅微球前驱体的制备：
将纳米级二氧化硅通过分散剂聚丙烯酸铵分散在蒸馏水中，二氧化硅占二氧化硅和水总质量的3-10％，聚丙烯酸铵的质量分数占氧化硅的1-10％，用氨水（分析纯）调节溶液的PH值至9-11，最后球磨10h制成喷雾造粒的浆料，然后将浆料泵入到喷雾干燥机中进行喷雾造粒，制得粒径在100nm—50μm范围，并且分散性好的氧化硅微球；
步骤二、将步骤一得到的氧化硅微球以10℃—100℃的温度间隔分梯度煅烧到1000℃—1300℃，最终得到粒度分布100nm—50μm以内高致密度的氧化硅微球。
步骤二所述的分梯度指的是，每一梯度的煅烧制度是以10℃/min快速加热到上一梯度终止温度，然后再以1℃/min升到所对应梯度终止温度。
本发明的主要原料为纳米级氧化硅粉末，蒸馏水，聚丙烯酸铵以及氨水，将他们按一定比例混合，泵入喷雾造粒机，将所得到的粉体在1000℃—1300℃温度范围内，以10℃—100℃的温度间隔分梯度煅烧研磨后，得到分散性较好，致密度高的氧化硅微球。
本发明在每个温度点处理后，采用的分散氧化硅微球的方法是在室温的状态下研磨煅烧后的粉体，打破氧化硅微球在上一梯度建立的平衡，同时不破换粉体的分散性；
本发明煅烧温度高于氧化硅结晶温度，烧结处理后得到分散性好的晶体化或者部分晶化氧化硅微球。
本发明的优点是：
1、煅烧后氧化硅微球的结构为部分晶体或晶体结构；
2、得到氧化硅微球致密度高，强度高；
3、所制备的氧化硅粒度分布广；
4、制备过程简单，重现性好。
附图说明
图1为实施例一中经1220℃煅烧处理的喷雾造粒氧化硅粉体颗粒的SEM图。
图2为实施例一粉体密度随煅烧温度的关系图。
图3为实施例一经1220℃煅烧处理的喷雾造粒氧化硅粉体的XRD结果。
图4为实施例三的SEM照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例作进一步的详细说明。
实施例一
本实施例包括以下步骤：
步骤一、氧化硅微球前驱体的制备：将100g尺寸为30nm的氧化硅粉体、5g聚丙烯酸铵加入900g蒸馏水里作为浆料，用氨水调节溶液的PH值至10，最后球磨10h制成喷雾造粒的浆料，泵入到喷雾干燥剂中进行喷雾造粒，制得粒径分布在500nm-10μm范围内，并且分散性好的氧化硅微球；
步骤二、高致密度氧化硅微球的制备：
将步骤一制备得到的致密度差的氧化硅微球前驱体分别在1060℃—1220℃处理后，研磨之后得到高致密度氧化硅微球，具体步骤如下；
a、将步骤一制备得到的氧化硅微球前驱体分别在以10℃/min升到800℃，然后1℃/min升到1060℃，在1060℃保温5h，研磨至完全成粉状；
b、将a步骤得到的粉体以10℃/min升到1060℃，然后1℃/min升到1100℃，在1100℃保温5h，研磨至完全成粉状；
c、将b步骤得到的粉体以10℃/min升到1100℃，然后1℃/min升到1130℃，在1130℃保温5h，研磨至完全成粉状；
d、将c步骤得到的粉体以10℃/min升到1130℃，然后1℃/min升到1160℃，在1160℃保温5h，研磨至完全成粉状；
e、将d步骤得到的粉体以10℃/min升到1160℃，然后1℃/min升到1190℃，在1190℃保温5h，研磨至完全成粉状；
f、将e步骤得到的粉体以10℃/min升到1190℃，然后1℃/min升到1220℃，在1220℃保温5h，研磨至完全成粉状，得到高致密度的氧化硅微球。
图1为本实施例所对应的经1220℃煅烧处理的喷雾造粒氧化硅粉体的SEM图，从图中可以看出来，经高温煅烧后，氧化硅具有良好的球形度，且表面光滑，分散良好。
图2为本实施例所对应的粉体的密度随煅烧温度的变化关系图。图中粉体的密度随着煅烧温度的提高先降后升，这是因为在煅烧初期，微球表面有较多的开气孔，当使用阿基米德法测粉体密度时，部分蒸馏水会从开气孔进入到微球中，致使微球的密度处于比较高的状态，随着煅烧温度的提高，开气孔逐渐闭合，密度也逐渐降低，直到1160℃，开气孔完全闭合，密度达到最低；继续提高煅烧温度，微球内部逐渐致密，微球的密度开始上升，直到完全致密。
图3为本实施例中所得到的粉体经1220℃煅烧处理的的XRD结果。从图中可以明显的看出，氧化硅微球已经发生晶化，所对应的晶型为四方晶型，理论密度为2.35g/cm3。
实施例二
本实施例包括以下步骤：
步骤一、氧化硅微球前驱体的制备：将90g尺寸为30nm的氧化硅粉体、4g聚丙烯酸铵加入1100g蒸馏水里作为浆料，用氨水调节溶液的PH值至9，最后球磨10h制成喷雾造粒的浆料，泵入到喷雾干燥剂中进行喷雾造粒，制得粒径分布在500nm—10μm范围内，并且分散性好的氧化硅微球；
步骤二、高致密度氧化硅微球的制备：
将步骤一制备得到的致密度差的氧化硅微球前驱体分别在1060℃—1220℃处理后，研磨之后得到高致密度氧化硅微球，具体步骤如下；
a、将步骤一制备得到的氧化硅微球前驱体分别在以10℃/min升到800℃，然后1℃/min升到1000℃，在1000℃保温5h，研磨至完全成粉状；
b、将a步骤得到的粉体以10℃/min升到1000℃，然后1℃/min升到1060℃，在1060℃保温5h，研磨至完全成粉状；
c、将b步骤得到的粉体以10℃/min升到1060℃，然后1℃/min升到1120℃，在1120℃保温5h，研磨至完全成粉状；
d、将c步骤得到的粉体以10℃/min升到1120℃，然后1℃/min升到1180℃，在1180℃保温5h，研磨至完全成粉状；
e、将d步骤得到的粉体以10℃/min升到1180℃，然后1℃/min升到1220℃，在1220℃保温5h，研磨至完全成粉状，得到高致密度的氧化硅微球。
实施例三
本实施例包括以下步骤：
步骤一、氧化硅微球前驱体的制备：将30g尺寸为30nm的氧化硅粉体、1g聚丙烯酸铵计入900g蒸馏水里作为浆料，用氨水调节溶液PH值至11，最后球磨10h制成喷雾造粒的浆料，泵入到喷雾干燥剂中进行喷雾造粒，制得粒径分布在500nm—7μm范围内，并且分散性好的氧化硅微球；
步骤二高致密度氧化硅微球的制备：
将步骤一制备得到的致密度差的氧化硅微球前驱体分别在1060℃—1250℃处理后，研磨之后得到高致密度氧化硅微球，具体步骤如下；
a、将步骤一制备得到的氧化硅微球前驱体分别在以10℃/min升到800℃，然后1℃/min升到1000℃，在1000℃保温5h，研磨至完全成粉状；
b、将a步骤得到的粉体以10℃/min升到1000℃，然后1℃/min升到1100℃，在1100℃保温5h，研磨至完全成粉状；
c、将b步骤得到的粉体以10℃/min升到1100℃，然后1℃/min升到1200℃，在1200℃保温5h，研磨至完全成粉状；
d、将c步骤得到的粉体以10℃/min升到1200℃，然后1℃/min升到1210℃，在1210℃保温5h，研磨至完全成粉状；
e、将d步骤得到的粉体以10℃/min升到1210℃，然后1℃/min升到1220℃，在1220℃保温5h，研磨至完全成粉状，得到高致密度的氧化硅微球。
图4为本实施例所对应的经1220℃煅烧处理的喷雾造粒氧化硅粉体的SEM图，从图中可以看出来，经高温煅烧后，氧化硅具有良好的球形度，且表面光滑，分散良好。
Claims (2)
1.一种采用梯度法制备高致密度氧化硅微球的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、氧化硅微球前驱体的制备：
将纳米级二氧化硅通过分散剂聚丙烯酸铵分散在蒸馏水中，二氧化硅占二氧化硅和水总质量的3-10％，聚丙烯酸铵的质量分数占氧化硅的0.1-2％，用氨水调节溶液的PH值至9-11，最后球磨10h制成喷雾造粒的浆料，然后将浆料泵入到喷雾干燥机中进行喷雾造粒，制得粒径在100nm—50μm范围，并且分散性好的氧化硅微球；
步骤二、将步骤一得到的氧化硅微球以10℃—100℃的温度间隔分梯度煅烧到1000℃—1300℃，最终得到粒度分布100nm-50μm以内高致密度的氧化硅微球。
2.根据权利要求1所述的一种采用梯度法制备高致密度氧化硅微球的方法，其特征在于，步骤二所述的分梯度指的是，每一梯度的煅烧制度是以10℃/min快速加热到上一梯度终止温度，然后再以1℃/min升到所对应梯度终止温度。
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