CN101659393B

CN101659393B - 一种制备纳米硅微粉的方法

Info

Publication number: CN101659393B
Application number: CN 200910184177
Authority: CN
Inventors: 陈刚; 赵玉涛; 王国路
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2009-08-21
Filing date: 2009-08-21
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2029-08-21
Also published as: CN101659393A

Abstract

一种制备纳米硅微粉的方法，涉及纳米粉体的制备技术领域。具体为：将经粗粉碎的二氧化硅质量分数不低于99.5％的石英砂原料进行磁选、酸洗去除杂质，然后进行湿法研磨，获得研磨浆经磁选除铁后自然沉淀，再通过机械沉降方法分离沉淀物，沉淀物送回湿法研磨环节重新参与研磨；同时，在去除沉淀物的悬浮物浆料中加入分散剂，采用高能超声分散，并对悬浮液压滤获得滤饼，采用超细研磨方法对滤饼进行研磨，通过离心分离加速沉淀，分离出超细研磨沉淀物，送回超细研磨环节重新参与研磨；去除沉淀物的超细研磨浆料，通过压滤获得滤饼，干燥获得纳米硅微粉；通过调节离心分离速度实现纳米硅微粉的粒度分级。本发明工艺简单，操作方便，适合工业规模连续生产；纳米硅微粉尺寸可控，便于生产不同规格的产品。

Description

一种制备纳米硅微粉的方法

技术领域

本发明涉及纳米粉体的制备方法，具体而言为涉及一种通过湿法研磨、分离、分散和干燥等工艺过程制备纳米硅微粉的方法。

背景技术

纳米硅微粉(或纳米二氧化硅)具有许多独特的性质，如量子尺寸、量子隧道效应，特殊的光、电特性与高磁阻现象，非线性电阻现象以及高温下的高强、高韧、高稳定性等。这些性质使它具有抗紫外线的光学性能，可提高材料的强度、弹性、抗老化性和耐化学性，具有吸附色素离子、降低色素衰减的作用。因此，纳米硅微粉可广泛应用于催化剂载体、高分子复合材料、电子封装材料、精密陶瓷材料、橡胶、造纸、塑料、粘结剂、涂料、光导纤维、精密铸造等产品中，几乎涉及所有应用硅微粉的行业。

目前常用的纳米硅微粉制备方法是溶胶-凝胶法。典型的工艺是：利用钠水玻璃和酸反应，通过分散剂或者超声分散的方法获得硅溶胶，然后通过真空干燥或者冷冻加真空干燥，再进行煅烧、研磨，最终获得纳米硅微粉。总体来看，该制备方法工艺过程复杂、制备成本高，在很大程度上制约了纳米硅微粉的推广应用。因此，寻找工艺简单、成本低廉的纳米硅微粉制备方法具有重要的经济效益和社会效益。对石英粉进行超细粉碎，是获得纳米硅微粉的可能工艺之一。目前采用的机械粉碎方法，是通过超细粉碎机械产生的冲击、剪切、摩擦等力的综合作用对大颗粒二氧化硅进行超细粉碎，然后利用高效分组装置分离不同粒径的颗粒，从而实现纳米二氧化硅粉末粒度分布的均匀化与特定化。该方法的生产工艺简单、生产量大，生产过程易于控制，但对原料要求较高，且随着粒度减小，颗粒因表面能增大而团聚，难以进一步缩小粉体颗粒粒径。为了解决这一矛盾，任振等(化工学报，2006，57(1)：210～213.)将功率超声与搅拌粉碎相结合，利用研磨介质互相碰撞产生的挤压、剪切、冲击等作用，以及超声空化作用产生的高能冲击波和微射流的共同作用，使一定浓度的原料在粉碎筒中被同步粉碎与分散。该方法综合了功率超声与机械搅拌粉碎的优点，使产品易于达到纳米级且分布窄。然而，由于制备工艺的限制，形成的纳米颗粒非常容易团聚，给产品的分级和使用造成了很大的困难。对石英粉超细粉碎工艺进行改进，将有望开发出新型高效、低成本纳米硅微粉制备方法。

发明内容

针对目前的纳米硅微粉制备工艺普遍存在的工艺过程复杂、制备成本高的问题，本发明提出一种采用石英粉湿法研磨、分散和干燥等工艺过程制备纳米硅微粉的方法。本发明充分利用石英粉在研磨过程中出现新鲜断键，而断键容易与分散剂结合的特性，实现纳米硅微粉的制备。

具体而言，本发明的步骤为：

将经粗粉碎的二氧化硅质量分数不低于99.5％的石英砂原料进行磁选、酸洗去除杂质，然后进行湿法研磨，获得研磨浆经磁选除铁后自然沉淀，再通过机械方法分离沉淀物，沉淀物送回湿法研磨环节重新参与研磨；同时，在去除沉淀物的悬浮物浆料中加入分散剂，采用高能超声分散，并对悬浮液压滤获得滤饼；采用超细研磨方法对滤饼进行研磨，通过离心分离加速沉淀，分离出超细研磨沉淀物，送回超细研磨环节重新参与研磨；去除沉淀物的超细研磨浆料，通过压滤获得滤饼，干燥获得纳米硅微粉；通过调节离心分离速度实现纳米硅微粉的粒度分级。

所述的酸洗去除杂质工艺为，选择二氧化硅质量分数不低于99.5％的石英砂(粒度不大于50目)为原料，加入工业盐酸(HCl含量不低于31％)，盐酸溶液没过石英砂，浸泡5～10小时后，去除酸液并用清水反复漂洗，直至氯离子含量低于0.1％。

所述的湿法研磨为：采用球磨机或搅拌研磨机，将经过磁选、酸洗的石英砂研磨至800目。

所述的磁选除铁为，将湿法研磨浆料通过磁选机脱除游离铁。

所述的悬浮物浆料分散剂为，加入量为悬浮物浆料体积3～6％的聚乙二醇(PEG200～400)、十二烷基苯磺酸钠或吐温-80。

所述的高能超声分散为，采用功率超声对加入分散剂的悬浮物浆料进行处理，处理功率为0.5～1.5KW，时间为2～5min，功率大时处理的时间可以适当变短。

所述的悬浮液压滤为，采用厢式压滤机、板框压滤机或带式压滤机对湿法粉体进行压滤。

所述的超细研磨为，采用高能球磨、超音速研磨等超细研磨方法，将压滤滤饼研磨至3000～4000目。

所述的纳米硅微粉粒度分级是，要获得尺寸较小的纳米硅微粉，则提高离心分离速度；反之则降低离心分离速度。

本发明所涉及的技术方法，具有如下优点：

1、工艺简单，操作方便，适合工业规模连续生产。

2、纳米硅微粉尺寸可控，便于生产不同规格的产品。

3、生产成本低，有利于纳米硅微粉的推广应用。

通过上述技术方法，可以成功生产出纳米硅微粉。

附图说明

图1所制备的纳米硅微粉的透射电镜照片

实施方法

根据本发明所述技术方案，选取具体实施例进行说明如下：

实施例1

选择二氧化硅质量分数不低于99.5％的石英砂(粒度50目)为原料，加入工业盐酸(合格品，HCl含量31％，盐酸没过石英砂)浸泡10小时后，去除酸液并用清水反复漂洗，直至氯离子含量低于0.1％。采用球磨机湿法研磨至800目，获得研磨浆通过磁选机脱除游离铁后自然沉淀，再通过机械方法分离沉淀物，沉淀物送回湿法研磨环节重新参与研磨。在去除沉淀物的悬浮物浆料中加入3％(体积浓度)的聚乙二醇(PEG200)，采用0.5KW高能超声分散5min，并对悬浮液压滤获得滤饼，并采用高能球磨方法对滤饼进行研磨至约3000目。通过离心分离机加速沉淀，分离出超细研磨沉淀物，送回超细研磨环节重新参与研磨。去除沉淀物的超细研磨浆料，通过压滤获得滤饼，通干燥空气干燥获得纳米硅微粉。纳米硅微粉的透射电镜照片如图1，硅微粉尺寸为80～100nm。从图中还可以看出，纳米硅微粉颗粒粘连少，分散性好。

实施例2

选择二氧化硅质量分数不低于99.5％的石英砂(粒度75目)为原料，加入工业盐酸(一级品，HCl含量33％，盐酸没过石英砂)浸泡8小时后，去除酸液并用清水反复漂洗，直至氯离子含量低于0.1％。采用球磨机湿法研磨至约900目，获得研磨浆通过磁选机脱除游离铁后自然沉淀，再通过机械方法分离沉淀物，沉淀物送回湿法研磨环节重新参与研磨。在去除沉淀物的悬浮物浆料中加入4％(体积含量)的十二烷基苯磺酸钠，采用1.0KW高能超声分散3min，并对悬浮液压滤获得滤饼，并采用高能球磨方法对滤饼进行研磨至约3500目。通过离心分离机加速沉淀，分离出超细研磨沉淀物，送回超细研磨环节重新参与研磨。去除沉淀物的超细研磨浆料，通过压滤获得滤饼，通干燥空气干燥获得尺寸为60～100nm的纳米硅微粉。

实施例3

选择二氧化硅质量分数不低于99.5％的石英砂(粒度100目)为原料，加入工业盐酸(一级品，HCl含量33％，盐酸没过石英砂)浸泡5小时后，去除酸液并用清水反复漂洗，直至氯离子含量低于0.1％。采用球磨机湿法研磨至约1000目，获得研磨浆通过磁选机脱除游离铁后自然沉淀，再通过机械方法分离沉淀物，沉淀物送回湿法研磨环节重新参与研磨。在去除沉淀物的悬浮物浆料中加入6％(体积含量)的吐温-80，采用1.5KW高能超声分散2min，并对悬浮液压滤获得滤饼，并采用超音速研磨方法对滤饼进行研磨至约4000目。通过离心分离机加速沉淀，分离出超细研磨沉淀物，送回超细研磨环节重新参与研磨。去除沉淀物的超细研磨浆料，通过压滤获得滤饼，通干燥空气干燥获得尺寸为50～90nm的纳米硅微粉。

Claims

1.一种制备纳米硅微粉的方法，具体步骤为：将经粗粉碎的二氧化硅质量分数不低于99.5％的石英砂原料进行磁选、酸洗去除杂质，然后进行湿法研磨，获得研磨浆经磁选除铁后自然沉淀，再通过机械方法分离沉淀物，沉淀物送回湿法研磨环节重新参与研磨；同时，在去除沉淀物的悬浮物浆料中加入分散剂，采用高能超声分散，并对悬浮液压滤获得滤饼；采用超细研磨方法对滤饼进行研磨，通过离心分离加速沉淀，分离出超细研磨沉淀物，送回超细研磨环节重新参与研磨；去除沉淀物的超细研磨浆料，通过压滤获得滤饼，干燥获得纳米硅微粉；通过调节离心分离速度实现纳米硅微粉的粒度分级；所述湿法研磨为：采用球磨机或搅拌研磨机，将经过磁选、酸洗的石英砂研磨至800目；所述超细研磨为：采用高能球磨或超音速研磨，将压滤滤饼研磨至3000～4000目。

2.如权利要求1所述的一种制备纳米硅微粉的方法，其特征在于：酸洗去除杂质工艺为：选择二氧化硅质量分数不低于99.5％的石英砂为原料，石英砂粒度为50目、75目或100目，加入工业盐酸，工业盐酸中HCl的含量不低于31％，盐酸溶液没过石英砂，浸泡5～10小时后，去除酸液并用清水反复漂洗，直至氯离子含量低于0.1％。

3.如权利要求1所述的一种制备纳米硅微粉的方法，其特征在于：磁选除铁为：将湿法研磨浆料通过磁选机脱除游离铁。

4.如权利要求1所述的一种制备纳米硅微粉的方法，其特征在于：悬浮物浆料分散剂为：加入量为悬浮物浆料体积3～6％的PEG200～400、十二烷基苯磺酸钠或吐温-80。

5.如权利要求1所述的一种制备纳米硅微粉的方法，其特征在于：高能超声分散为：采用功率超声对加入分散剂的悬浮物浆料进行处理，处理功率为0.5～1.5KW，时间为2～5min。

6.如权利要求1所述的一种制备纳米硅微粉的方法，其特征在于：悬浮液压滤为：采用厢式压滤机、板框压滤机或带式压滤机对湿法粉体进行压滤。

7.如权利要求1所述的一种制备纳米硅微粉的方法，其特征在于：纳米硅微粉粒度分级是，要获得尺寸较小的纳米硅微粉，则提高离心分离速度；反之则降低离心分离速度。

8.如权利要求1所述的制备方法制备出的纳米硅微粉的粒度尺寸为：50～100nm。