CN113321219A - 一种球形硅微粉的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种球形硅微粉的制备工艺，通过将硅源通过膜乳化设备形成分散相硅源，再将分散相硅源在一定压力下压入含有乳化剂的去离子水中形成稳定乳液，接着将固化剂加入稳定乳液中形成颗粒浆料，最后将颗粒将料进行固液分离、干燥和煅烧，得到球形硅微粉。本发明的制备方法具有节约能耗、原料易得、简单高效、反应条件温和、重复性好等特点，所制得的球形硅微粉，具有球形率高达98％以上，球体粒度分布均匀，球体颗粒之间无团聚，球体表面致密光滑，球形硅微粉流动性好，纯度高等优点，应用前景广阔。

Description

一种球形硅微粉的制备方法
技术领域
本发明属于无机材料科学领域，具体涉及一种球形硅微粉的制备方法。
背景技术
球形硅微粉是指颗粒个体呈球形，主要成分为二氧化硅的无定形石英粉体材料。本公司利用特殊制备工艺生产的球形硅微粉，具有球形度和球化率极高，纯度高可达电子级，粒度小至亚微米或纳米级别，颗粒分布均匀，无团聚等优点。广泛应用于CCL、EMC、电子胶、塑料、薄膜、抛光、特种陶瓷、油墨涂料和化妆品等领域。球形硅微粉作为填充料，可以极大提高电子制品的刚性、耐磨性、耐侯性、抗冲击抗压性、抗拉性、耐燃性、耐电弧绝缘特性和抗紫外线辐射的特性。
目前，球形硅微粉的制备方法主要有气体燃烧火焰法(简称火焰法)：首先对高纯石英砂进行粉碎、筛分和提纯等前处理，然后将石英微粉送入燃气-氧气产生的高温场中，进行高温熔融、冷却成球，最终形成高纯度球形硅微粉。
等离子熔融法：等离子体技术的基本原理是利用等离子矩的高温区将二氧化硅粉体熔化，由于液体表面张力的作用形成球形液滴.在快速冷却过程中形成球形化颗粒。
乳液聚合：微乳液法是利用两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成一个均匀的乳液，从乳液中析出固相。使成核、生产、聚结、团聚等过程局限在一个微小的球形液滴内，形成球形颗粒，避免了颗粒间进一步的团聚。
爆燃法：VMC法采用金属硅制备出的亚微米级球形二氧化硅微粉具有表面光滑、无定型含量高等特点，但该方法目前被日美所垄断，进行严格封锁，且使用的原料金属硅容易形成粉尘爆燃，生产过程中存在较大的安全隐患。
专利CN109455726A中提出利用火焰燃烧法制备球形硅微粉，制备的球形硅微粉粒度分布宽，球形率低，必须对颗粒分级处理，才能获得均匀分布的球形硅微粉，而且火焰对设备球化炉要求极高，设备投入大等问题。专利CN107285322A中提出利用等离子工艺制备球形硅微粉，并对其工艺进行改进可以制备亚纳米球形硅微粉，等离子工艺制备的球硅球形度好，密度高，流动性好等优点，但是成本高，设备要求高，无法工业化大批量生产。专利CN102659123A中利用微乳液反制备球形硅微粉，以水玻璃、铵盐、有机溶剂和表面活性剂作原料，并控制有机溶剂、分散剂、表面活性剂和水玻璃的比例等条件参数，制备的球形硅微粉球形度较好，但是粒度分布宽，颗粒容易团聚，表面具有凹坑等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种球形硅微粉及其制备方法，本发明的制备方法具有原料易得、简单高效及重复性好等特点，所制备的产品具有粒径分布均匀，球体表面光滑，颗粒无团聚等优点。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种球形硅微粉的制备方法，包括以下步骤：
(1)分散相硅源的制备：将硅源放入膜乳化设备中，形成分散相硅源，膜乳化设备中的膜孔径大小可调节；
(2)乳化液的制备：将乳化剂加入去离子水或有机溶剂中搅拌混合均匀，形成混合溶液；
(3)混合：将步骤(1)中所得分散相硅源在一定压力下压入步骤(2)中所得的混合溶液中，进行搅拌，形成稳定乳液；
(4)固化：将固化剂加入步骤(3)所得的稳定乳液中，进行搅拌，得到颗粒浆料；
(5)干燥：将步骤(4)中所得颗粒浆料进行固液分离，将得到的粉体进行干燥，得到干燥粉体；
(6)煅烧：将步骤(5)中所得干燥粉体进行煅烧，即得球形硅微粉。
优选的，步骤(1)中，所述硅源为硅酸钠、硅溶胶、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、硅酸乙酯、硅酸甲酯或它们的水解物中的一种或几种，膜乳化设备的膜孔为0.1-50μm。
优选的，步骤(2)中所述乳化剂为司盘-80、吐温-60、聚氧乙烯辛基苯酚醚-10或脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种或几种；所述有机溶剂为环己烷、戊烷、庚烷、辛烷、壬烷、醋酸乙酯、醋酸丁酯、醋酸异丙酯、二甲苯、四氯化碳或二氯乙烷中的一种或几种。
优选的，步骤(3)中的压出压力为0.01-0.5MPa。
优选的，步骤(4)中所述的固化剂为酸或碱，其中酸为盐酸、醋酸、草酸或甲酸中的一种或几种，碱为氨水、乙二胺乙醇胺、二甲胺或六甲基四胺中的一种或几种，浓度为0.01-5g/L；搅拌时间为10-180分钟。
优选的，步骤(5)中，所述干燥的温度为60-200℃，干燥的时间为1-24小时。
优选的，步骤(6)中，所述煅烧处理为1-36小时温度升至300-1200℃，保温1-12小时。
优选的，所述硅源用量为1-50份，乳化剂用量为0.1-1份，去离子水或有机溶剂用量为10-100份。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供一种工艺简单、成本较低的球形硅微粉制备工艺。本发明通过以微乳法为基础，利用乳化膜作为硅源成球介质，液态球体前驱体在乳液中固化成球，球形硅微粉的球形率高达98％以上，球体粒度分布均匀，球体颗粒之间无团聚，球体表面致密光滑，球形硅微粉流动性好，纯度高等优点。
附图说明
图1为本发明实施例1一种球形硅微粉在20000倍下的扫描电子显微镜图片；
图2为本发明实施例1一种球形硅微粉在10000倍下的扫描电子显微镜图片；
图3为本发明实施例1一种球形硅微粉的粒度分布图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种球形微硅粉的制备方法，其包括以下步骤：
(1)将20g硅酸钠加入膜孔径为10μm的膜乳化设备中，形成分散相硅源；
(2)将0.5g的吐温-60加入50ml离子水中混合均匀，形成混合溶液；
(3)将步骤(1)中的分散相硅源在0.1MPa的压力下加入步骤(2)中的混合溶液中，形成稳定乳液；
(4)将1g氨水加入步骤(3)中的稳定乳液中，搅拌45分钟，得到颗粒浆料；
(5)将步骤(4)中所得颗粒浆料进行离心分离，得到的粉体在80℃下干燥5小时，得到干燥粉体；
(6)将步骤(5)中得到的干燥粉体煅烧，升温速率为3小时内温度升到600℃，保温时间为8小时，即得球形氧化硅微粉。
从图1中可以看出，球形硅微粉的球体表面致密光滑，颗粒之间无团聚；从图2中可以看出球形硅微粉的球体粒径分布均匀，球形率为99％以上；从图3中可以看出粒径范围在0.7-2μm之间。
实施例2
一种球形微硅粉的制备方法，其包括以下步骤：
(1)将30g硅酸钠加入膜孔径为20μm的膜乳化设备中，形成分散相硅源；
(2)将0.5g的吐温-60加入50份的去离子水中混合均匀，形成混合溶液；
(3)将步骤(1)中的分散相硅源在0.1MPa的压力下加入步骤(2)中的混合溶液中，形成稳定乳液；
(4)将1g甲酸加入步骤(3)中的稳定乳液中，搅拌30分钟，得到颗粒浆料；
(5)将步骤(4)中所得颗粒浆料进行离心分离，得到的粉体在80℃下干燥5小时，得到干燥粉体；
(6)将步骤(5)中得到的干燥粉体煅烧，升温速率为3小时内温度升到600℃，保温时间为8小时，即得球形氧化硅微粉。
本实施例制备得到的球形硅微粉粒径分布均匀，粒径范围在2-5μm之间，球形率为99％以上。
实施例3
一种球形微硅粉的制备方法，其包括以下步骤：
(1)将30g甲基三甲氧基硅烷加入膜孔径为30μm的膜乳化设备中，形成分散相硅源；
(2)将0.3的司盘-80加入80份的去离子水中混合均匀，形成混合溶液；
(3)将步骤(1)中的分散相硅源在0.05MPa的压力下加入步骤(2)中的混合溶液中，形成稳定乳液；
(4)将1g氨水加入步骤(3)中的稳定乳液中，搅拌30分钟，得到颗粒浆料；
(5)将步骤(4)中所得颗粒浆料进行离心分离，得到的粉体在100℃下干燥+6小时，得到干燥粉体；
(6)将步骤(5)中得到的干燥粉体煅烧，升温速率为4小时内温度升到500℃，保温时间为5小时，即得球形氧化硅微粉。
本实施例制备得到的球形硅微粉粒径分布均匀，粒径范围在5-8μm之间，球形率为99％以上。
实施例4
一种球形微硅粉的制备方法，其包括以下步骤：
(1)将10g硅酸钠加入膜孔径为35μm的膜乳化设备中，形成分散相硅源；
(2)将0.6g的司盘-80加入50份的去离子水中混合均匀，形成混合溶液；
(3)将步骤(1)中的分散相硅源在0.5MPa的压力下加入步骤(2)中的混合溶液中，形成稳定乳液；
(4)将1g二甲胺加入步骤(3)中的稳定乳液中，搅拌60分钟，得到颗粒浆料；
(5)将步骤(4)中所得颗粒浆料进行离心分离，得到的粉体在100℃下干燥5小时，得到干燥粉体；
(6)将步骤(5)中得到的干燥粉体煅烧，升温速率为2小时内温度升到800℃，保温时间为5小时，即得球形氧化硅微粉。
本实施例制备得到的球形硅微粉粒径分布均匀，粒径范围在4-7μm之间，球形率为99％以上。
实施例5
一种球形微硅粉的制备方法，其包括以下步骤：
(1)将10g二甲基二甲氧基硅烷加入膜孔径为15μm的膜乳化设备中，形成分散相硅源；
(2)将0.2g的司盘-80加入50份的去离子水中混合均匀，形成混合溶液；
(3)将步骤(1)中的分散相硅源在0.5MPa的压力下加入步骤(2)中的混合溶液中，形成稳定乳液；
(4)将1g氨水加入步骤(3)中的稳定乳液中，搅拌90分钟，得到颗粒浆料；
(5)将步骤(4)中所得颗粒浆料进行离心分离，得到的粉体在100℃下干燥5小时，得到干燥粉体；
(6)将步骤(5)中得到的干燥粉体煅烧，升温速率为3小时内温度升到600℃，保温时间为10小时，即得球形氧化硅微粉。
本实施例制备得到的球形硅微粉粒径分布均匀，粒径范围在2-4μm之间，球形率为99％以上。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种球形硅微粉的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)分散相硅源的制备：将硅源放入膜乳化设备中，形成分散相硅源，膜乳化设备中的膜孔径大小可调节；
(2)乳化液的制备：将乳化剂加入去离子水或有机溶剂中搅拌混合均匀，形成混合溶液；
(3)混合：将步骤(1)中所得分散相硅源在一定压力下压入步骤(2)中所得的混合溶液中，进行搅拌，形成稳定乳液；
(4)固化：将固化剂加入步骤(3)所得的稳定乳液中，进行搅拌，得到颗粒浆料；
(5)干燥：将步骤(4)中所得颗粒浆料进行固液分离，将得到的粉体进行干燥，得到干燥粉体；
(6)煅烧：将步骤(5)中所得干燥粉体进行煅烧，即得球形硅微粉。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述硅源为硅酸钠、硅溶胶、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、硅酸乙酯、硅酸甲酯或它们的水解物中的一种或几种，膜乳化设备的膜孔径为0.1-50μm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述乳化剂为司盘-80、吐温-60、聚氧乙烯辛基苯酚醚-10或脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种或几种；所述有机溶剂为环己烷、戊烷、庚烷、辛烷、壬烷、醋酸乙酯、醋酸丁酯、醋酸异丙酯、二甲苯、四氯化碳或二氯乙烷中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中的压出压力为0.01-0.5MPa。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述的固化剂为酸或碱，其中酸为盐酸、醋酸、草酸或甲酸中的一种或几种，碱为氨水、乙二胺乙醇胺、二甲胺或六甲基四胺中的一种或几种，浓度为0.01-5g/L；搅拌时间为10-180分钟。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述干燥的温度为60-200，℃干燥的时间为1-24小时。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)中，所述煅烧处理为1-36小时温度升至300-1200，℃保温1-12小时。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅源用量为1-50份，乳化剂用量为0.1-1份，去离子水或有机溶剂用量为10-100份。
9.一种根据权利要求1-8任一项所述制备方法所制备得到的球形硅微粉。
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