CN114105481B

CN114105481B - 一种单分散高硅微球及其制备方法

Info

Publication number: CN114105481B
Application number: CN202111616716.0A
Authority: CN
Inventors: 米亚策; 张永锋; 刘智乾; 刘飒; 张印民
Original assignee: Inner Mongolia University of Technology
Current assignee: Inner Mongolia University of Technology
Priority date: 2021-12-28
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2023-05-09
Anticipated expiration: 2041-12-28
Also published as: CN114105481A

Abstract

本发明涉及化学化工领域，具体涉及一种单分散高硅微球及其制备方法，以粉煤灰为基础原料，利用热致相分离制备单分散高硅微球，不仅工艺简单，原料成本低，且可以通过对熔融、分相、酸浸、碱溶过程调节，实现高硅微球粒径、球形度、分散性和均一性的控制，可控性强，可重复性高，得到的高硅微球粒径均一，可制备粒径范围广，化学稳定性高。所得的单分散高硅微球表面光滑，粒径均一，CV值<15%，且大小可控，粒径范围为0.2～20μm，表面亲水，其化学成分包含二氧化硅50 wt%～90 wt%、氧化钙10 wt%～40 wt%、氧化铝5 wt%～20 wt%、氧化铁1 wt%～10 wt%、氧化钠1%～10wt%。

Description

一种单分散高硅微球及其制备方法

技术领域

本发明涉及化学化工领域，具体涉及一种单分散高硅微球及其制备方法。

背景技术

目前我国主要以火力发电为主，占比在70%左右，而火力发电中又以燃煤发电为主导。煤炭燃烧过程中会产生大量的粉煤灰，给生态环境造成巨大的影响。粉煤灰中富含大量硅、铁、铝、钙、镁、钠的氧化物以及各种微量元素。考虑到天然资源储量的减少，实现对粉煤灰的资源化利用具有重要意义。

高硅微球因为比表面积大，稳定性强，分散性好，粒径均一，同时具有良好的光学以及力学特性，被广泛应用于高新科学技术领域，如：医疗和电子领域，环境领域，化工领域以及日化领域。所以单分散高硅微球的制备方法和应用受到越来越多的关注，特别是近几年中已经看到纳米级和大型颗粒的高硅微球的制备方式有了重点突破，各种特殊的制造研究方法已经呈现，其研究制备的过程逐步的系统化，各种性能得到了改善和发展，但是仍然有很大的进步空间，每种方法都有相应的缺点与不足。目前高硅微球的主要制备方法有微乳液法，离子体法，化学气相沉积法，Stober法等。其中，微乳液和Stober法会使用到大量的有机物，且成本高，制备过程复杂，产量小，粒径小；化学气相沉积法和等离子体法制备分散性效果虽然好，但设备要求高，对实验环境要求苛刻，能耗高，热效率低，还会产生温室气体造成大气污染；现阶段最常用的溶胶凝胶法是以正硅酸乙酯为硅源，氨水为催化剂，但正硅酸乙酯价格昂贵且有毒性。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种单分散高硅微球及其制备方法，以粉煤灰为基础原料，利用热致相分离制备单分散高硅微球，不仅工艺简单，原料成本低，且可以通过对熔融、分相、酸浸、碱溶过程调节，实现高硅微球粒径、球形度、分散性和均一性的控制，可控性强，可重复性高，得到的高硅微球粒径均一，可制备粒径范围广，化学稳定性高。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种单分散高硅微球，所述单分散高硅微球球形度良好，表面光滑，粒径均一， CV值<15%，例如为3%、5%、7%、9%、11%、13%；且大小可控，粒径范围为0.2～20μm，例如为0.1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm或20μm；表面亲水，所述高硅微球可耐受温度上限为700℃，例如可耐受100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、600℃、650℃；抗压强度为500～1000MPa，例如600MPa，650 MPa，700 MPa，750 MPa，800 MPa，850 MPa，900 MPa，950 MPa。

其化学成分包含二氧化硅50 wt%～90 wt%、氧化钙10 wt%～40 wt%、氧化铝5 wt%～20 wt%、氧化铁1 wt%～10 wt%、氧化钠1%～ 10wt%。

本发明还公开了一种所述的单分散高硅微球的制备方法，包括如下步骤：

S1、将含有硅、铝、钙、钠、硼、铁元素的无机物按一定比例通过搅拌或振荡或研磨或球磨均匀混合后，置于铂铑坩埚内，在1000℃～1650℃的高温炉中高温热熔处理1～5h，得到深褐色透明玻璃；

S2、将深褐色透明玻璃置于775℃～850℃（优选780℃～850℃）的低温炉中热处理1～50 h（优选12h～65h），得到分相玻璃；

S3、除去分相玻璃中的可溶相；

S4、水洗、离心、干燥，得到单分散高硅微球。

进一步地，步骤S1中，无机物以氧化物计量时，氧化硅的质量分数为 30%～70%，优选50%-60%；氧化钙的质量分数为0%～40%，优选25%-30%；氧化铝的质量分数为0%～30%，优选8%-10%；氧化钠的质量分数为0%～10%，优选3%-5%；氧化硼的质量分数为20%～ 50%，优选30-40%。

进一步地，含有硅元素的无机物，含有铝元素的无机物，含有钙元素的无机物，含有钠元素的无机物均可全部取自或部分取自粉煤灰。所述粉煤灰是指煤燃烧过程中排出的微小灰粒，为多种氧化物掺杂的混合物，其具体组成随燃烧煤质、燃烧条件和烟尘处理方式有关。

进一步地，所述含硅元素的无机物为含有二氧化硅或可生成二氧化硅的无机物，如石英砂、硼砂、粉煤灰中的任意一种或者至少两种的混合物；

所述含铝元素的无机物为含有三氧化二铝或可生成三氧化二铝的无机物，如三氧化二铝、氢氧化铝、粉煤灰中的任意一种或者至少两种的混合物；

所述含钙元素的无机物为含有氧化钙或可生成氧化钙的无机物，如氧化钙、碳酸钙、粉煤灰中的任意一种或者至少两种的混合物；

所述含钠元素的无机物为含有氧化钠或可生成氧化钠的无机物，如氢氧化钠、碳酸钠、粉煤灰中的任意一种或者至少两种的混合物；

所述含硼元素的无机物为含有氧化硼或可生成氧化硼的无机物，如氧化硼、硼酸、硼砂中的任意一种或者至少两种的混合物。

上述有关原料中含硅，钙，铝，钠，硼的无机物质量分数当严格限定在在合适的比例内，这些无机物含量比例对于本发明尤为重要，对接下来得到单分散高硅微球具有基础性作用。

进一步地，还包括步骤S3得到的分相玻璃进行表面腐蚀处理的步骤，具体的，将分相玻璃置于温度为 25℃～150℃（优选100℃～120℃），摩尔浓度为 1～6 mol/L 的氢氧化钠溶液中处理 2～24 h后，用超纯水反复洗涤2～3次至中性。

进一步地，步骤S3中，用酸浸法去除分相玻璃中的微球间隙中的残留的碱富集相去除，然后用超纯水洗至中性，其中所述碱富集相主要以硼、钙的无机物为主，酸浸法所用的有机溶剂均选自盐酸、硝酸、硫酸、碳酸、磷酸、硼酸中的任意一种或者至少两种的混合物，置于温度为 25℃～100℃，酸浸时间为 2～40 h（优选20h～28h）。

进一步地，步骤S4中，用蒸馏水或二次水或无水乙醇超声水洗，采用真空干燥，干燥的时间为 12～24h（优选20～24 h）。

进一步地，样品质量是所需氢氧化钠质量的1%。

进一步地，样品质量是所需有机溶剂质量的1%。

以粉煤灰为基础原料，可以实现煤基固废全组分资源化高值化利用；利用热致相分离制备单分散高硅微球，不仅工艺简单，原料成本低，且可以通过对熔融、分相、酸浸、碱溶过程调节，实现高硅微球粒径、球形度、分散性和均一性的控制，可控性强，可重复性高，得到的高硅微球粒径均一，可制备粒径范围广，化学稳定性高。

附图说明

图1是本发明实施例1中制备的单分散高硅微球实物照片。

图2是本发明实施例1中制备的单分散高硅微球的电镜照片。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

原料和溶剂：

基础玻璃原料为粉煤灰，石英砂，氧化硼，氧化钙，碳酸钠；酸浸溶剂为盐酸；碱溶溶剂为氢氧化钠溶液。

高硅微球玻璃的制备过程：

将粉煤灰，石英砂，氧化钙，氧化硼，碳酸钠按照5：3：3：4：1的质量比混合均匀，并且进行充分研磨震荡，然后放入铂铑坩埚内压实，在1450℃的电炉中进行熔融至2个小时，然后淬冷至室温，得到熔融后的玻璃，然后将熔融玻璃置于700℃左右的电炉中进行分相处理，在炉中保持20h，进而将得到的初始高硅微球玻璃在4 mol/L的氢氧化钠在恒定温度下碱溶一定时间，然后将碱溶后的样品放入0.5mol/L的盐酸溶液中保持一定时间，再经过离心洗涤干燥得单分散高硅微球粉末（图1）。

用扫描电子显微镜观察上述制备的单分散高硅微球的微观形貌，如图2所示，观察到材料确实具有分散性良好，球形度高，表面光滑的高硅微球，其微球直径为2.5μm。

实施例2

原料和溶剂：

不同粒径的高硅微球制备过程：

将粉煤灰，石英砂，氧化钙，氧化硼，碳酸钠按照6：4：3：3：1的质量比混合均匀，并且进行充分研磨震荡，然后放入铂铑坩埚内压实，在1450℃的电炉中进行熔融至2个小时，然后淬冷至室温，得到熔融后的玻璃，然后将熔融玻璃置于800℃左右的电炉中进行分相处理，在炉中保持48h，进而将得到的初始高硅微球玻璃在4 mol/L的氢氧化钠在恒定温度下碱溶一定时间，然后将碱溶后的样品放入0.5mol/L的盐酸溶液中保持一定时间，再经过离心洗涤干燥得单分散高硅微球粉末。

实施例3

原料和溶剂：

高硅微球玻璃的制备过程：

将粉煤灰，石英砂，氧化钙，氧化硼，碳酸钠按照6：5：3：4：1的质量比混合均匀，并且进行充分研磨震荡，然后放入铂铑坩埚内压实，在1450℃的电炉中进行熔融至2个小时，然后淬冷至室温，得到熔融后的玻璃，然后将熔融玻璃置于700℃左右的电炉中进行分相处理，在炉中保持20h，进而将得到的初始高硅微球玻璃在4 mol/L的氢氧化钠在恒定温度下碱溶一定时间，然后将碱溶后的样品放入0.5mol/L的盐酸溶液中保持一定时间，再经过离心洗涤干燥得单分散高硅微球粉末。

实施例4

原料和溶剂：

高硅微球玻璃的制备过程：

将粉煤灰，石英砂，氧化钙，氧化硼，碳酸钠按照5：5：3：3：1的质量比混合均匀，并且进行充分研磨震荡，然后放入铂铑坩埚内压实，在1450℃的电炉中进行熔融至2个小时，然后淬冷至室温，得到熔融后的玻璃，然后将熔融玻璃置于700℃左右的电炉中进行分相处理，在炉中保持20h，进而将得到的初始高硅微球玻璃在4 mol/L的氢氧化钠在恒定温度下碱溶一定时间，然后将碱溶后的样品放入0.5mol/L的盐酸溶液中保持一定时间，再经过离心洗涤干燥得单分散高硅微球粉末。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种单分散高硅微球，其特征在于，所述单分散高硅微球表面光滑，粒径均一，CV值<15％，且大小可控，粒径范围为0.2～20μm，表面亲水，其化学成分包含二氧化硅50wt％～90wt％、氧化钙10wt％～40wt％、氧化铝5wt％～20wt％、氧化铁1wt％～10wt％、氧化钠1％～10wt％；

制备时，包括如下步骤：

S2、将深褐色透明玻璃置于775℃～850℃的低温炉中热处理1～50h，得到分相玻璃；

S3、除去分相玻璃中的可溶相；

S4、水洗、离心、干燥，得到单分散高硅微球；

其中，步骤S1中，无机物以氧化物计量时，氧化硅的质量分数为30％～70％，氧化钙的质量分数为0％～40％，氧化铝的质量分数为0％～30％，氧化钠的质量分数为0％～10％，氧化硼的质量分数为20％～50％。

2.如权利要求1所述的单分散高硅微球，其特征在于：含有硅元素的无机物，含有铝元素的无机物，含有钙元素的无机物，含有钠元素的无机物均可全部取自或部分取自粉煤灰。

3.如权利要求1所述的单分散高硅微球，其特征在于：所述含硅元素的无机物为含有二氧化硅或可生成二氧化硅的无机物；

所述含铝元素的无机物为含有三氧化二铝或可生成三氧化二铝的无机物；

所述含钙元素的无机物为含有氧化钙或可生成氧化钙的无机物；

所述含钠元素的无机物为含有氧化钠或可生成氧化钠的无机物；

所述含硼元素的无机物为含有氧化硼或可生成氧化硼的无机物。

4.如权利要求1所述的单分散高硅微球，其特征在于：还包括步骤S3得到的分相玻璃进行表面腐蚀处理的步骤，具体的，将分相玻璃置于温度为25℃～150℃，摩尔浓度为1～6mol/L的氢氧化钠溶液中处理2～24h后，用超纯水反复洗涤2～3次至中性。

5.如权利要求1所述的单分散高硅微球，其特征在于：步骤S3中，用酸浸法去除分相玻璃中的酸可溶相，酸浸法所用的无机溶剂均选自盐酸、硝酸、硫酸、碳酸、磷酸、硼酸中的任意一种或者至少两种的混合物，酸浸温度为25℃～100℃，酸浸时间为2～40h。

6.如权利要求1所述的单分散高硅微球，其特征在于：步骤S4中，用蒸馏水或二次水或无水乙醇超声水洗，采用真空干燥，干燥的时间为12～24h。

7.如权利要求4所述的单分散高硅微球，其特征在于：分相玻璃质量是所需氢氧化钠溶液质量的0.5％-5％。

8.如权利要求5所述的单分散高硅微球，其特征在于：分相玻璃质量是所需无机溶剂质量的0.5％-5％。