CN103771426A - 一种以硅藻土为原料低温烧制多孔方石英的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种以硅藻土为原料低温烧制多孔方石英的方法。它是将硅藻土粉末加入助剂溶液中，硅藻土的加入量为以硅藻土质量/助剂溶液体积计为1g/2-5ml，充分搅拌后干燥，所述的助剂溶液为质量分数7.20-17.33%的偏硅酸钠溶液或碱金属的硅酸盐溶液；将干燥后的固体升温至600～800℃，煅烧12-24小时，即可得到多孔方石英。本发明由于煅烧温度较低，该方石英产品保留了硅藻土形貌并具备丰富孔道结构，因此具有独特的良好保温性。所制得的方石英除具有其它合成方石英的固有性质外，还保留有硅藻土形貌并具备丰富多孔结构，并因此具备良好的保温性能。该方法具有耗能低，工艺简单，成本低廉，产品潜在工业价值高的优势。

Description

一种以硅藻土为原料低温烧制多孔方石英的方法
技术领域：
本发明具体涉及一种以硅藻土为原料低温烧制多孔方石英的方法。
背景技术：
方石英也称方英石、白硅石，四方晶相，属石英的一种。方石英因具有良好的热稳定性、抗热震性、绝缘性以及耐酸性等优良性质而被广泛应用于橡胶、塑料、涂料、陶瓷等多个工业领域（雷芸等，硅酸盐通报，2011；陈美怡等，铸造，1993）。方石英为非孔结构，硅质骨架致密，导热系数高，常温下为2.5W/m·K，（郭敬荣译，1995），不具备保温性能，难以用作保温隔热材料。
自然界中方石英的含量很少，只在火山岩中存在少量产出。因此，工业使用的方石英几乎均为人工合成。目前，通常采用高温煅烧石英的方法制备方石英。如，余桂林等（2005）以石英为原料，经严格控制升温速度并煅烧1400℃后发现有方石英相出现；申柯娅等（2013）以石英粉体为原料，1300℃煅烧制得石英陶瓷，1500℃进一步煅烧制得方石英块体。另外，中国发明专利《一种煅烧石英制备方石英的方法》（专利号：CN200710051620.8）提到在石英粉体中加入复合催化剂Y2O3、Na2CO3和BaF2，1300℃制得方石英。也有发明（专利号：CN200910038559.2）提出以石英坩埚为原料制备方石英材料的方法，将经1400-1600℃高温煅烧后的石英坩埚经破碎、研磨后制得方石英。另研究者以硅藻土为原料制备方石英。硅藻土是由硅藻生物遗骸沉积形成的天然无定形SiO2，其含有丰富的大孔结构。我国硅藻土储量极其丰富，居世界第二位。Osman等（2009）以硅藻土作原料，加入适量添加剂，经严格控温后，1000-1300℃煅烧制备出方石英。
然而，上述方法的显著缺点在于，一方面，高温煅烧法（煅烧温度≥1000℃），耗能高且煅烧条件严苛；另一方面，制备过程中加入添加剂较多，工艺过程复杂。除此之外，上述方法所制得的方石英为非孔结构材料，应用范围较窄。
发明内容：
本发明的目的是克服现有方石英制备技术中耗能高、工艺复杂、添加剂种类繁多、产品工业应用有限的不足，提供一种耗能低，工艺简单，成本低廉，产品具有潜在工业价值高的优势的以硅藻土为原料低温烧制多孔方石英的方法。
本发明的以硅藻土为原料低温烧制多孔方石英的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、将硅藻土粉末加入助剂溶液中，硅藻土的加入量为以硅藻土质量/助剂溶液体积计为1g/2-5ml，充分搅拌后干燥，所述的助剂溶液为质量分数7.20-17.33%的偏硅酸钠溶液或碱金属的硅酸盐溶液；
b、将步骤a干燥后的固体升温至600～800℃，煅烧12-24小时，即可得到多孔方石英。
所述的碱金属的硅酸盐优选为硅酸钠或硅酸钾。
所述硅藻土指原矿中硅藻壳体质量百分比含量大于60%的硅藻土。
本发明利用廉价矿物硅藻土作原料，通过加入硅酸盐助剂，利用含钠和钾硅酸盐的独特助熔与催化作用，大大降低硅藻土转化为方石英相的相变温度，经600-800℃即可制备出方石英。另外，由于煅烧温度较低，该方石英产品保留了硅藻土形貌并具备丰富孔道结构，因此具有独特的良好保温性。所制得的方石英除具有其它合成方石英的固有性质外，还保留有硅藻土形貌并具备丰富多孔结构，并因此具备良好的保温性能。该方法具有耗能低，工艺简单，成本低廉，产品潜在工业价值高的优势。
与现有技术相比，本发明的优点和效果集中体现于以下几点：
1）本发明利用硅酸盐助剂在煅烧条件下即可对硅藻土进行活化、助熔的特性，在低温条件下（600～800℃）煅烧即可制得方石英，较之目前工业用方石英合成需高温（≥1000℃）而言，既降低了对煅烧设备的要求，也解决了高能耗问题，对工业生产十分有利。
2）本发明所制备的方石英不仅具备其它方法所得产品的固有性质，还含有丰富的孔结构，因此具备低导热系数和良好保温性，该方法获得的方石英有望扩展其在工业领域，如保温隔热领域的应用。
3）本发明中所使用硅藻土原料储量丰富、价格低廉，加之该方法制备工艺简单、能耗较低，因此，生产成本低廉。
因此，利用本发明的方法，可在低温煅烧条件下制备出多孔、低热导性方石英，该方法工艺简单、成本低廉、高效、具有潜在工业价值高等优势，易推广应用。
附图说明：
图1是实施例1中煅烧得到的方石英的X射线衍射图。
图2是实施例1中煅烧得到的方石英的扫描电镜图。
图3是实施例1中煅烧得到的方石英的压汞实验数据图。
图4是实施例2中煅烧得到的方石英的X射线衍射图。
图5是实施例3中煅烧得到的方石英的X射线衍射图。
图6是实施例4中煅烧得到的方石英的X射线衍射图。
图7是实施例5中煅烧得到的方石英的X射线衍射图。
图8是实施例6中煅烧得到的方石英的X射线衍射图。
具体实施方式：
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例1：
称量0.8g九水偏硅酸钠，溶于10ml超纯水中，再加入5g硅藻土粉末，该悬浮液充分搅拌后放入烘箱中80℃烘5小时干燥，干燥后的固体置于马弗炉中，以5℃/min的速率升温至600℃，在600℃保温24小时，得到多孔方石英。
本实施例中助剂溶液中偏硅酸钠质量分数为7.20%，硅藻土600℃煅烧24小时全部转化成方石英，具体衍射结果参照图1。生成的方石英材料呈多孔结构，孔径200-500nm之间，材料的微观形貌参照图2。压汞实验测得多孔方石英材料孔径主要分布在250-300nm之间，属于纳米级孔，2.5-4μm归属于方石英颗粒与颗粒间堆积形成的孔，材料的孔径分布参照图3。激光粒度仪测得方石英的平均粒径为1.0μm。材料常温下热导系数为0.18W/m·K，热扩散系数0.39mm2/s，符合保温材料要求（导热系数低于0.20W/m·K）。
实施例2：
称量2.1g九水偏硅酸钠，溶于10ml超纯水中，再加入2g硅藻土粉末，该悬浮液充分搅拌后放入烘箱中80℃烘2小时干燥，干燥后的固体置于马弗炉中，以5℃/min的速率升温至600℃，在600℃保温24小时，得到多孔方石英。
本实施例中助剂溶液中偏硅酸钠质量分数为17.33%，硅藻土600℃煅烧24小时生成方石英，具体衍射结果参照图4。材料常温下热导系数为0.16W/m·K，热扩散系数0.23mm2/s，保温性能良好。
实施例3：
称量0.8g九水偏硅酸钠，溶于10ml超纯水中，再加入5g硅藻土粉末，该悬浮液充分搅拌后放入烘箱中80℃烘5小时干燥，干燥后的固体置于马弗炉中，以5℃/min的速率升温至700℃，在700℃保温24小时，得到多孔方石英。
本实施例中助剂溶液中偏硅酸钠质量分数为7.2%，硅藻土700℃煅烧24小时生成方石英，具体衍射结果参照图5。材料常温下热导系数为0.078W/m·K，热扩散系数0.29mm2/s，符合保温材料要求，保温性能良好。
实施例4：
称量2.1g九水偏硅酸钠，溶于10ml超纯水中，再加入5g硅藻土粉末，该悬浮液充分搅拌后放入烘箱中80℃烘5小时干燥，干燥后的固体置于马弗炉中，以5℃/min的速率升温至700℃，在700℃保温24小时，得到多孔方石英。
本实施例中助剂溶液中偏硅酸钠质量分数为17.33%，硅藻土700℃煅烧24小时生成方石英，具体衍射结果参照图6。材料常温下热导系数为0.16W/m·K，热扩散系数0.27mm2/s，保温性能良好。
实施例5：
称量0.8g九水偏硅酸钠，溶于10ml超纯水中，再加入5g硅藻土粉末，该悬浮液充分搅拌后放入烘箱中80℃烘5小时干燥，干燥后的固体置于马弗炉中，以5℃/min的速率升温至800℃，在800℃保温24小时，得到多孔方石英。
本实施例中助剂溶液中偏硅酸钠质量分数为7.20%，硅藻土800℃煅烧24h后生成方石英，具体衍射结果参照图7。材料常温下热导系数为0.098W/m·K，热扩散系数0.62mm2/s，保温性能良好。
实施例6：
称量2.1g九水偏硅酸钠，溶于10ml超纯水中，再加入5g硅藻土粉末，该悬浮液充分搅拌后放入烘箱中80℃烘2小时干燥，干燥后的固体置于马弗炉中，以5℃/min的速率升温至800℃，在800℃保温12小时，得到多孔方石英。
本实施例中助剂溶液中偏硅酸钠质量分数为17.33%，硅藻土800℃煅烧12小时生成方石英，具体衍射结果参照图8。材料常温下热导系数为0.11W/m·K，热扩散系数0.28mm2/s，保温性能良好。

Claims (3)

1.一种以硅藻土为原料低温烧制多孔方石英的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、将硅藻土粉末加入助剂溶液中，硅藻土的加入量为以硅藻土质量/助剂溶液体积计为1g/2-5ml，充分搅拌后干燥，所述的助剂溶液为质量分数7.20-17.33%的偏硅酸钠溶液或碱金属的硅酸盐溶液；
b、将步骤a干燥后的固体升温至600～800℃，煅烧12-24小时，即可得到多孔方石英。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的碱金属的硅酸盐为硅酸钠或硅酸钾。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅藻土指原矿中硅藻壳体质量百分比含量大于60%的硅藻土。
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