CN1212267C - 用硅藻土制备纳米二氧化硅的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用硅藻土制备纳米二氧化硅的方法。本方法是将硅土矿粉在一定温度下煅烧后与烧碱在加热条件下反应，生成硅酸钠；将反应产物过滤除去残渣，加入钠盐，加水调至合适浓度后加酸沉析，并在沉析过程中或沉析终点加入粒子阻隔剂或表面处理剂防止生成的水合纳米二氧化硅粒子团聚；将此沉析产物陈化、过滤、洗涤、干燥，即得纳米二氧化硅。本方法与其它方法相比，具有原料易得、工艺简单、生产成本低以及产品粒径小、比表面积大、分散性好等优点。

Description

用硅藻土制备纳米二氧化硅的方法
技术领域：本发明涉及一种用硅藻土制备纳米二氧化硅的方法，属于化学工程领域。
背景技术：纳米二氧化硅是一种重要的无机纳米功能粉体材料，广泛应用于涂料、塑料、皮革、橡胶、粘结剂和密封剂、化纤、陶瓷、医药等领域，具有良好的市场前景。
现有的纳米二氧化硅的制备方法主要有气相法、溶胶—凝胶法和反相胶束微乳液法。
气相法是采用四氯化硅在氢氧焰中水解制得。水解产生的二氧化硅分子凝聚成颗粒。这些颗粒互相碰撞，熔结成一体，形成三维和有分支的链状聚集合体。一旦这些聚集体温度低于二氧化硅熔点，这进一步碰撞，引起键的机械缠绕，生成附聚物。该法的优点是生成的粒子凝聚少，缺点是成本高。
溶胶—凝胶法是以金属醇盐和无机盐为原料，利用金属醇盐和无机盐的水解或沉淀反应制备出金属氧化物或金属非氧化物的均匀溶胶。然后再进行溶胶—凝胶转化过程，形成有机聚合物网络或无机网络。凝胶化后再经过陈化、干燥和热处理。该法的优点是可在温和的反应条件下进行，二氧化硅纯度高，比表面积大，活性较好。缺点是凝胶干燥过程中，由于溶剂、水分的挥发导致材料的收缩，必须进行后处理才能得到纳米粒子。
反相胶束微乳液法是由表面活性剂、助剂、油、水首先形成乳液，剂量小的溶剂被包裹在剂量大的溶剂中形成一个个微泡，微泡表面由表面活性剂组成，尺寸大小在5～100nm之间。从微泡中形成固相可使成核生长，凝结团聚等过程出现在一个微小的球形液滴内，从而形成球形颗粒。此法制备的纳米粒子粒径小，分散性好，但工艺复杂，生产成本较高。
本发明的任务是针对以上三种制取纳米二氧化硅的方法所存在的不足之处，提供一种用天然矿物硅藻土矿物为原料制取高质量纳米二氧化硅的方法，可以简化工艺，降低能耗和生产成本。
发明内容：本发明的内容是先将硅藻土矿粉煅烧，然后与烧碱反应，将反应产物过滤除去残渣后采用酸沉析、粒子阻隔(抗团聚)、陈化、洗涤、脱水制取纳米二氧化硅。
具体实施方式：工艺步骤为：
(1)将硅藻土粉在一定温度下煅烧以除去有机质和使亚铁氧化为高价铁；
(2)将煅烧后的硅藻土粉与烧碱在加热条件下反应，生成硅酸钠水溶液，其反应式如下：
------------------(1)
(3)将上述反应产物过滤，除去固体残渣，然后加入钠盐，加水调至合适的浓度，用酸沉析；并在酸沉析过程中、酸沉析终点或陈化前加入粒子阻隔剂或表面处理剂。酸沉析化学反应式如下：
------------(2)
反应式(2)中的m为硅酸钠中SiO2与Na2O的比值(硅钠比)，它与煅烧硅藻土粉中SiO2含量及与烧碱的投料比有关。
以上所述的硅藻土为天然矿物，主要化学成分为SiO2·nH2O，SiO2含量70％～95％。
步骤(3)中用酸沉析时，可用硫酸，也可用盐酸。
步骤(3)中用酸沉析前加入的钠盐为硫酸钠或氯化钠或前次沉析产物过滤后的母液，用量为煅烧硅藻土质量的20％～60％。
步骤(3)中所用的粒子阻隔剂或表面处理剂为一类能与纳米二氧化硅粒子表面发生吸附作用的化学物质，如脂肪醇、硅烷、聚硅氧烷、脂肪胺等。
以下为本发明的配方和工艺条件：
(1)硅藻土的煅烧温度为500～850℃；煅烧时间20～75min。
(2)煅烧硅藻土与烧碱反应的物料质量配比为：煅烧硅藻土粉∶烧碱∶水＝1(0.3～0.8)∶(3.0～6.0)；煅烧硅藻土与烧碱的反应温度为80～120℃；
煅烧硅藻土与烧碱的反应时间0.5～4.0hr。
(3)沉析作业的酸用量为煅烧硅藻土质量的40％～80％；酸析终点PH值为3～5；酸沉析溶液的浓度为：10～20波美度(10°Be’～24°Be’)；
沉析温度为30～80℃；沉析时间为50～120min。
(4)沉析中粒子阻隔剂的用量为煅烧硅藻土质量的2～8％。
本发明的工艺流程见附图1。
本发明方法的优点是，与现有方法相比，原料价廉易得，工艺简单，产品粒径小，比表面积高，粒子分散性好，生产成本低。
实施例如下：
①吉林临江II级硅藻土(SiO2含量83.2％，粒度通过200目筛)1175g，在700℃的管式炉中煅烧35min。煅烧后的硅藻土重量为1000g。将此煅烧后的硅藻土加入500g固体工业烧碱和4500g水，在反应锅中搅拌反应90min(反应温度100℃)；将反应产物过滤除去残渣，加入200g工业硫酸钠并加水稀释至18°波美度，再加入550g硫酸进行沉析(沉析温度35℃，时间100min，终点pH值3.5左右)，沉析过程中加入粒子阻隔剂丁醇45克；沉析产物陈化30min后过滤、洗涤、干燥，即得纳米二氧化硅产品。
②吉林临江II级硅藻土(SiO2含量83.2％，粒度通过200目筛)1175g，在600℃的管式炉中煅烧40min。煅烧后的硅藻土重量为1000g。将此煅烧后的硅藻土加入550g固体工业烧碱和4500g水，在反应锅中搅拌反应120min(反应温度100℃)；将反应产物过滤除去残渣，加入200g工业硫酸钠并加水稀释至16°波美度，再加入600g硫酸进行沉析(沉析温度45℃，时间90min，终点pH值3.5左右)，沉析过程中加入粒子阻隔剂甘油40克；沉析产物陈化30min后过滤、洗涤、干燥，即得纳米二氧化硅产品。
③吉林临江II级硅藻土(SiO2含量83.2％，粒度通过200目筛)23kg，在600℃的管式炉中煅烧45min。煅烧后的硅藻土重量为20kg。将此煅烧后的硅藻土加入11kg固体工业烧碱和90kg水，在反应锅中搅拌反应120min(反应温度100℃)；将反应产物过滤除去残渣，加入4kg工业硫酸钠并加水稀释至16°波美度，再加入12kg硫酸进行沉析(沉析温度42℃，时间90min，终点pH值3.5左右)，沉析过程中加入粒子阻隔剂甘油820克；沉析产物陈化30min后过滤、洗涤、干燥，即得纳米二氧化硅产品。
各实施例制备的纳米二氧化硅的检测分析结果见附表1。
表1  实施例纳米二氧化硅产品的检测分析结果
    项目     实施例1     实施例2     实施例3
    二氧化硅含量，％     98.65     98.87     98.79
    粒径，nm     15～40     15～40     15～40
    灼烧减量，％     2.21     2.16     2.20
    PH     5.7     5.8     5.6
    比表面积，m2/g     526     509     498
    孔体积，ml/g     0.62     0.67     0.65
    堆密度，g/ml     0.10     0.11     0.11
    吸油率，ml/100g     216     208     210

Claims (3)

1、一种用硅藻土制备纳米二氧化硅的方法，其特征是：
(1)将硅藻土矿粉进行煅烧；
(2)将煅烧硅藻土粉与烧碱在加热条件下反应；
(3)将反应产物过滤除去残渣，加入钠盐，加水调至合适浓度后加酸沉析；
(4)将沉析产物陈化、过滤、洗涤、干燥；
在沉析过程中、在沉析终点或在陈化前添加粒子阻隔剂；
所述钠盐为硫酸钠或氯化钠，所述酸为硫酸或盐酸，所述粒子阻隔剂为脂肪醇，所述粒子阻隔剂的加入量是煅烧硅藻土粉质量的2-8％。
2、一种如权利要求1所述的方法，其特征是：煅烧温度为500～850℃；煅烧时间为20～75分钟。
3、一种如权利要求1所述的方法，其特征是：煅烧硅藻土粉与烧碱在加热条件下反应的条件为：煅烧硅藻土粉∶烧碱∶水＝1∶(0.3～0.8)∶(3.0～6.0)，所述比例是质量比；反应温度80～120℃；反应时间0.5～4.0小时。
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