一種碳包覆制備單分散晶體二氧化硅球形顆粒的方法技術

本發明專利技術涉及一種碳包覆制備單分散球形二氧化硅晶體顆粒的方法，主要解決現有的二氧化硅晶體顆粒制備過程中顆粒團聚、大小不均勻、形狀不規則和成本較高的的缺點。本發明專利技術采用一種制備單分散二氧化硅晶體球形顆粒的方法，包括以下步驟：(1)在單分散無晶形二氧化硅球形顆粒表面通過氣溶膠法或水熱法包覆一厚度均勻的碳層得到核-殼結構二氧化硅/碳顆粒；(2)高溫處理核-殼結構顆粒將無晶形二氧化硅晶化為石英或方晶石；(3)在相對低的溫度下氧化去除覆蓋碳層得到單分散球形二氧化硅晶體顆粒的技術方案，較好的解決了該問題，該球形單分散納米、亞微米、微米二氧化硅晶體顆粒可以用于催化、膜分離、超大規模集成電路封裝材料及半導體行業、精密閥門、硬磁盤、磁頭的表面拋光處理等。

【技術實現步驟摘要】
一種碳包覆制備單分散晶體二氧化硅球形顆粒的方法
本專利技術涉及一種碳包覆制備單分散晶體二氧化硅球形顆粒的方法。
技術介紹
硅膠作為催化劑載體已廣泛用于生產丙烯腈、醋酸乙烯、順丁烯二酸酐等重要石油化工產品。硅膠用作載體的催化反應主要有氧化反應、加氫反應、脫氫反應、氫甲酰化反應、還原、聚合、烷基化、脫硫等。然而，無晶形二氧化硅作為催化劑載體存在機械強度低、易于泥化結塊、再生困難、活性組分易流失和廢催化劑卸出困難等缺點。迫切需要開發一種低成本、低污染的制備方法生產水熱穩定并且機械強度高的晶體二氧化硅載體。石英具有有高介電、耐熱性好、硬度大、機械性能優良，化學穩定、熱膨脹系數低、電絕緣性好，抗紫外線等特性，廣泛應用于高強、超硬、高韌性、超塑性材料和絕緣材料、電極材料及超導材料、特種低溫燒結耐火材料，熱交換材料等高技術新材料。石英粉是制造光導纖維的優質原料。超細石英微粉具有粒度小、比表面積大、分散性能好等特點。以其優越的穩定性、補強性、增稠性和觸變性廣泛應用于光學玻璃、電子元器件以及超大規模集成電路封裝、電氣絕緣、高檔陶瓷、油漆涂料、精密鑄造、醫藥、化裝品、橡膠、移動通訊、航空航天等生產領域，享有“工業味精”“材料科學的原點”之美譽。當球形石英粉以高比例加入環氧樹脂中制成塑封料時，它與環氧樹脂結合在一起，完成芯片或元器件的粘結封固。超細石英粉作為透明填充補強劑能使膠粘劑迅速形成網絡狀硅石結構、抑制膠體流動、固化速度加快，大大提高了粘結和密封效果。球形硅微粉拋光洗滌磨料效果好，是金屬件良好的洗滌磨料。另外用于半導體行業、精密閥門、硬磁盤、磁頭的拋光，汽車拋光劑，均有很好的效果。現在國內使用的球形粉主要是天然原料制成的進口粉，粒徑分布也比較寬，球形度低。除了石英礦的本身純度外，研磨過程中也帶來鐵、鎳污染。到目前為此，晶體二氧化硅的生長方法主要是高溫高壓，設備要求高。至今沒有解決單分散、無聚集、球形晶體二氧化硅的生產問題。迫切需要研究開發出一種低成本生產球形、高純度、單分散、無聚集晶體二氧化硅球的方法。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是現有的晶體二氧化硅制備過程中顆粒團聚、形狀不規則、含雜質、生產成本較高的的缺點。提供一種新的制備晶體二氧化硅球形顆粒的方法，該方法生產成本低，制備的晶體二氧化硅顆粒具有高純、無集聚、呈單分散的球形顆粒的優點。為解決上述問題，本專利技術采用的技術方案如下：一種制備單分散球形晶體二氧化硅顆粒的方法，包括以下步驟：(1)通過常規溶膠-凝膠方法合成單分散無晶形二氧化硅膠體顆粒。單分散二氧化硅膠體粒度為5nm～30μm。為加快后續晶化過程，降低晶化溫度以及縮短晶化時間，晶化促進劑如Li，Na，K，Ca，Mg等堿金屬、堿土金屬離子以及它們的氫氧化物、鹽，或晶體二氧化硅納米顆粒。可以添加到二氧化硅膠里，含量為0.05％-10％。(2)通過氣溶膠法或水熱法在單分散無晶形二氧化硅球形顆粒表面包覆一厚度均勻的碳層得到核-殼結構二氧化硅/碳顆粒。具體氣溶膠方法為將無晶形二氧化硅球形顆粒分散在醇、烷烴等溶劑中，2-30％濃度的膠體溶液經過超聲、高速旋轉盤離心等方法霧化。霧化分散后的二氧化硅氣溶膠顆粒經氮氣或氬氣載入800-1200℃高溫管式爐反應器。反應停留時間5-20秒。有機溶劑迅速蒸發后產生高度分散的二氧化硅氣溶膠。調節的膠體二氧化硅溶液濃度及蒸發速度，可以保證顆粒間無團聚。氣溶膠高溫熱解后在二氧化硅球表面包覆一層均勻的碳質膜。碳層厚度由有機溶劑濃度、氣溶膠反應器溫度、氣溶膠空速等決定。為保證二氧化硅晶化后無團聚，根據二氧化硅顆粒大小，碳層厚度至少5-200nm。過厚的碳層將造成后續氧化除碳的麻煩。水熱法包覆一厚度均勻的碳層的方法具體為：攪拌條件下在100-200℃經2-10小時加熱含1-50％二氧化硅、1-40％糖的水溶液。可以得到厚度均勻碳層包裹的二氧化硅顆粒。每一個核-殼結構只有一個氧化硅顆粒。(3)在650-1200℃下2-20小時高溫處理核-殼結構顆粒將無晶形二氧化硅完全晶化為石英或方晶石。晶化所需溫度、時間與晶化劑加入種類及加入量有關。最終石英或方晶石晶相由加熱溫度及升/降溫速率決定。(4)在250-400℃在1-20大氣壓空氣或純氧氣中氧化去除覆蓋碳層得到單分散、無團聚球形二氧化硅晶體顆粒。相對低的溫度避免了碳層去除后晶體二氧化硅顆粒間的燒結。附圖說明圖1為實施例1合成后α-方晶石顆粒透射電子顯微鏡圖像；圖2為實施例1合成后α-方晶石顆粒X-射線衍射圖。圖3為實施例2水熱合成后碳包覆后二氧化硅復合顆粒透射電子顯微鏡圖像；下面通過實施例對本專利技術作進一步的闡述。具體實施方式【實施例1】將通過法由分析純四乙氧基硅烷制備的1g8nm二氧化硅膠體與20mg氯化鋰，25ml乙醇、5ml己烷溶液混合均勻。然后，將這混合物以氮氣霧化噴入1100℃氣溶膠反應器，冷卻，收集得到黑色、粒徑15納米的碳沉積的核-殼結構二氧化硅顆粒。在氬氣氣氛下850℃處理4小時，透射電子顯微鏡圖像顯示二氧化硅已經完全晶化(圖1)。XRD檢測(圖2)發現，無無晶形二氧化硅峰。晶化后的樣品經350℃，1大氣壓氧氣處理10小時，得到～7nm無團聚、單分散α-方晶石納米顆粒。【實施例2】將5g通過法由分析純四乙氧基硅烷制備的150nm二氧化硅與100mg氯化鋰、10g葡萄糖、200ml水混合均勻。將這混合物倒入聚四氟乙烯水熱反應釜中，磁力攪拌，5℃/min升溫到180℃，恒溫8小時。冷卻后，離心沉降，水洗2次，在150℃干燥，收集。得到黑色粒徑200納米的碳沉積的核-殼結構二氧化硅顆粒(圖3)。在氬氣氣氛下900℃處理8小時，透射電子顯微鏡圖像及XRD檢測顯示二氧化硅已經完全晶化，無無晶形二氧化硅峰。晶化后的樣品經350℃，1大氣壓氧氣處理10小時，得到約130nm無團聚、單分散α-方晶石顆粒。【實施例3】將1g通過法由分析純四乙氧基硅烷制備的8nm二氧化硅膠體與25ml乙醇、5ml己烷溶液混合均勻。然后，將這混合物以氮氣霧化噴入進入1100℃氣溶膠反應器，冷卻，收集得到黑色粒徑15納米的碳沉積的核-殼結構二氧化硅顆粒。在氬氣氣氛下1000℃處理12小時。XRD檢測發現，二氧化硅沒有完全晶化，尚有無晶形二氧化硅峰。【實施例4】將5g通過法由分析純四乙氧基硅烷制備的150nm二氧化硅與10g葡萄糖，200ml水混合均勻。將這混合物倒入聚四氟乙烯水熱反應釜中，磁力攪拌，5℃/min升溫到180℃，恒溫8小時。冷卻后，離心沉降，水洗2次，在150℃干燥，收集。得到黑色粒徑200納米的碳沉積的核-殼結構二氧化硅顆粒。在氬氣氣氛下1100℃處理18小時，透射電子顯微鏡圖像及XRD檢測顯示，XRD檢測發現，二氧化硅沒有完全晶化，尚有無晶形二氧化硅峰。【實施例5】將1g通過法由分析純四乙氧基硅烷制備的8nm二氧化硅膠體與20mg氯化鋰、20ml水、5ml乙醇溶液混合均勻。然后，將這混合物以氮氣霧化噴入進入1100℃氣溶膠反應器，冷卻，收集得到淺黑色粒徑約9納米的碳沉積的核-殼結構二氧化硅顆粒。在氬氣氣氛下850℃處理4小時。XRD檢測發現，無無晶形二氧化硅峰。透射電子顯微鏡圖像顯示二氧化硅已經完全晶化，但團聚嚴重。【實施例6】將5g通過法由分本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種碳包覆制備單分散晶體二氧化硅球形顆粒的方法包括以下步驟：(1)通過氣溶膠法或水熱法在單分散無晶形二氧化硅球形顆粒表面包覆一厚度均勻的碳層得到核?殼結構二氧化硅/碳顆粒；(2)高溫處理核?殼結構顆粒將無晶形二氧化硅晶化為石英或方晶石；(3)在較低溫度下氧化去除覆蓋碳層得到單分散球形二氧化硅晶體顆粒；

【技術特征摘要】
1.一種碳包覆制備單分散晶體二氧化硅球形顆粒的方法，包括以下步驟：(1)通過氣溶膠法或水熱法在單分散無晶形二氧化硅球形顆粒表面包覆一厚度均勻的碳層得到核-殼結構二氧化硅/碳顆粒；(2)高溫處理核-殼結構顆粒將無晶形二氧化硅晶化為石英或方晶石；(3)在較低溫度下氧化去除覆蓋碳層得到單分散球形二氧化硅晶體顆粒。2.根據權利要求1所述的碳包覆制備單分散晶體二氧化硅球形顆粒的方法，其特征在于無晶形二氧化硅是通過溶膠凝膠方法合成的單分散膠體顆粒。3.根據權利要求1所述的碳包覆制備單分散晶體二氧化硅球形顆粒的方法，其特征在于無晶形二氧化硅粒度為5nm～30μm。4.根據權利要求1所述的碳包覆制備單分散晶體二氧化硅球形顆粒的方法，其特征在于無晶形二氧化硅顆粒含0.05％-10％的晶化促進劑。5.根據權利要求4所述的碳包覆制備單分散晶體二氧化硅球形顆粒的方法，其特征在于，晶化促進劑為堿金屬離子、堿金屬氫氧化物、堿金屬鹽，或晶體二氧化硅納米顆粒。6.根據權利要求1所述的碳包覆制備單分散晶體二氧化硅球形顆粒的方法，其特征在于通過氣溶膠法或水熱法在單分散無晶形...

【專利技術屬性】
技術研發人員：姜興茂，姜興盛，
申請(專利權)人：常州英中納米科技有限公司，
類型：發明
國別省市：江蘇;32