專利名稱：二氧化硅納米粉體表面大氣壓常溫等離子體改性處理方法
技術領域：
本發(fā)明屬納米粉體材料的制備領域，特別是涉及一種二氧化硅納米粉體表面大氣壓常溫等
離子體改性處理方法。
背景技術：
常溫、常壓等離子體化學氣相沉積、離子注入、濺射、等離子噴涂、化學聚合、陽極 氧化等技術己在航空航天、電子、機械等領域中獲得廣泛應用。近年來這一新的表面處理 技術在納米工程技術中發(fā)揮著越來越大的作用。
常溫、常壓等離子體是指部分或全部離子化的氣體，包括電子、離子，還包括自由基 和光子等高能活性成分。常溫、常壓等離子體具有高能、高速、高活性的優(yōu)點。非平衡態(tài) 常溫、常壓等離子體中電子溫度與離子溫度間的平衡關系不成立，常溫、常壓等離子體可 兼?zhèn)涫狗肿?、原子有效激發(fā)并保存物質(zhì)基體分子不被損傷的特色；在材料表面性能改善的 同時，基體性能不受影響；通過適當選擇形成等離子體的氣體種類和等離子體化學條件.能 夠對材料表面層的化學結構和物理結構進行特種目的的改性，而且能夠實現(xiàn)傳統(tǒng)化學反應 所不能實現(xiàn)的反應。
由于納米材料具有尺寸效應、表面效應、量子效應、宏觀量子隧道效應等特性，從而 在光學、力學、電學、磁學等方面表現(xiàn)出不同于一般宏觀材料的顯著特征，近年來得到迅 速發(fā)展。納米二氧化硅是一種輕質(zhì)納米多孔材料，它具有比表面積大、孔系率高、尺寸效 應和特殊的光、電物性，以及其在高溫下仍具有高強、高韌、穩(wěn)定性好等奇異特性。因此 納米二氧化硅具有廣闊的應用前景，目前已經(jīng)在涂料、塑料和橡膠加工以及催化劑載體、 醫(yī)藥研制方面得到了應用。但是，納米二氧化硅表面存在羥基，遇水分子時易形成氫鍵吸 附，使其表面具有親水性，從而導致其團聚，難分散，這在很大程度影響了納米二氧化硅 在某些領域的應用。因此，通過表面處理的方法，消除或減少二氧化硅表面的羥基數(shù)是解 決問題的關鍵。
二氧化硅納米粉體的表面改性方法主要分為液相法和氣相法兩大類。無機包覆用液相 共沉淀法完成，有機物的吸附則在氣流粉碎時完成。二氧化硅納米粉體無論是制備還是使 用過程中，均可能導致團聚，其中干燥和焙燒工序是造成納米金屬氧化物納米粒子間硬團 聚的主要工序。為減輕金屬氧化物納米粒子間的團聚程度，目前，通過熱處理法和化學改 性法使二氧化硅表面由親水變?yōu)槭杷膱髮Ш芏?。例如DE 2628975和DE 2729244中， 分別將硅油和二甲基二氯硅烷加到沉淀法二氧化硅中，用濕法和干法進行疏水化處理，最后經(jīng)過200至400。 C高溫退火歩驟，制備了疏水二氧化硅；JP194765中，用二硅氮垸化 合物處理二氧化硅溶膠，使其表面達到疏水狀態(tài)；CN 1161997中，采用表面接枝方法，將 聚氧烷接枝到二氧化硅表面，從而使其達到疏水性質(zhì)。液相法雖然合成設備簡單，但工藝 費時繁瑣，污染大，間歇式操作，高溫焙燒過程極易使納米粒子間硬團聚或燒結，表面活 性劑等添加劑的引入會降低產(chǎn)品的純度。但是，通過等離子體對納米二氧化硅表面改性的 方法，使二氧化硅表面達到與各類材料無機物、有機物----如高分子材料可控相容或對水 可控親疏的方法未見報道。
目前在國內(nèi)外文獻中，尚未見到利用大氣壓、常溫等離子體改性的處理方法改善二氧 化硅納米粉體表面性能的研究報導。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種二氧化硅納米粉體表面大氣壓常溫等離子體 改性處理方法，本方法為干法改性，在大氣壓和室溫、丌放的環(huán)境下可一歩直接獲得二氧 化硅納米粉體表面的改性。
本發(fā)明的二氧化硅納米粉體表面大氣壓常溫等離子體改性處理方法，包括 將二氧化硅納米粉體置于等離子體處理設備的專用傳輸裝置上，在大氣壓，丌放環(huán)境 下，直接將等離子體噴射到二氧化硅納米粉體表面，使二氧化硅納米粉體在等離子體氛圍 中運動，處理二氧化硅納米粉體的功率為10W-5000W，時間為0.01s-6000s，產(chǎn)生二氧化 硅納米粉體表面改性。 所述的二氧化硅納米粉體為市售的商品。 所述的等離子體處理設備(APPJ)為市售的商品。
所述的等離子體選自氦氣、氬氣或功能性氣體中的一種或幾種，其中氦氣、氬氣摩爾比為 50%-99.99%，功能性氣體為0,001 30%，同時流經(jīng)等離子體形成區(qū)形成等離子體氛圍。 所述的功能性氣體為S02、氨氣、氧氣、氫氣、氮氣、四氟化碳、二氧化碳、甲烷CH4 , 乙垸C2H6 ,丙垸C3H8, 丁烷C4H10 ,戊垸C5H12 ,己烷C6H14 ，庚烷C7H16 ,辛烷C8H18, 壬烷C9H20 ，癸烷C10H22, i^ —烷C11H24 ,十二烷C12H26 ，十三烷C13H28、乙烯
(C2H4)，丙烯(C3H6)， 丁烯(C4H8)，戊烯(C5H10),己烯(C6H12)，丙二烯(C3H4)， 丁二烯(C4服)，異戊二烯(C5H8)，己三烯(C6H8)，乙炔(C2H2)，丙炔(C3H4), 丁炔
(C4H6)，戊炔(C5H8)，己炔(C6H10),庚炔(C7H12)'辛炔(C8H14),壬炔(C9H16), 癸炔(C10H18)，十一炔(C11H20)、、四氟乙烯和硅烷、各種硅氧垸氣體、丙烯酸，甲基 丙烯酸等的蒸汽或它們組合氣體。在噴射等離子體氛圍前提下將納米表面按不同要求的需求進行表面改性。
在大氣壓、常溫等離子體改性的處理方法改善二氧化硅納米粉體表面性能的體系中， 主要包括由等離子體產(chǎn)生高能活性粒子、納米二氧化鈦表面被刻蝕或激活、接枝等使納米 二氧化硅表面產(chǎn)生同性相斥的效果。在噴射等離子體氛圍前提下形成自由基并由此引發(fā)進 一步的自由基引起的納米二氧化硅表面與其他材料和組分在一定條件下形成自由基接枝 反應而得到的納米二氧化硅表面改性，以及由于等離子體引發(fā)的納米二氧化硅表面自由基 引起的自由基聚合即等離子體引發(fā)原子轉移自由基聚合(ATRP)。等離子體納米二氧化硅表 面改性為干法改性，主要采用以上所述的氣體以及它們的混合氣體，利用大氣壓、常溫等 離子體設備產(chǎn)生的等離子體對納米二氧化硅進行表面處理。等離子體表面改性方法通常一 步完成，通過調(diào)整形成等離子體的氣體組分、配比可以實現(xiàn)對不同物性材料的相容性的提咼。
用該方法改性的納米二氧化硅可應用于高分子材料改性、高分子復合材料改性以及 纖維中。
有益效果
(1) 本發(fā)明方法工藝可控性強，改換工藝簡單、工藝流程短，無需后處理，并且自動化 程度高，能耗低、連續(xù)運作，容易實現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)且對環(huán)境的污染??；
(2) 本發(fā)明所得納米二氧化硅顆粒表面產(chǎn)生同性相斥的效果，達到減少納米顆粒團聚的 可能性；
(3) 本發(fā)明所得二氧化硅納米粉體內(nèi)部結構不被破壞，其納米晶體顆粒均勻度且粒徑分 布范圍變窄，在相關材料中的分散性提高，與相應高分子的結合性能提高。


圖1所得樣品的透射電子顯微鏡照片；
圖2二氧化硅納米粉體表面等離子體改性裝置示意圖，1等離子體載氣(氦氣或氬氣)， 2功能性氣體，3等離子體發(fā)生控制系統(tǒng)，4等離子體發(fā)生器及噴頭，5納米粉體輸送裝置， 6未表面處理納米粉體，7已表面處理過納米粉體；
圖3處理樣品1號為二氧化硅納米原粉氦等離子體處理樣品，2號為二氧化硅納米原粉 氧等離子體處理樣品，3號為二氧化硅納米原粉。
具體實施例方式
下面結合具體實施例，進一歩闡述本發(fā)明。應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領域技術人 員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定 的范圍。
實施例1
取一定量商品化二氧化硅納米粉體放在等離子體處理設備的專用傳輸裝置上。示意圖 如圖2(或加裝等離子體噴嘴的通道)，該容器或載體置于常壓、常溫等離子體噴射裝置的噴 口下方特定距離2厘米以內(nèi)(噴嘴部分通道的設計按特定要求),納米粉體鋪放厚度按5毫米 厚度鋪放,在開啟常壓、室溫等離子體的前提下，容器或載體做特定速度的運動.實現(xiàn)二氧 化硅納米粉體在氦氣等離子體氛圍、功率40瓦及5秒時間下得到處理。該樣品的透射電 子顯微鏡照片如圖l 。由該樣品形成的水溶膠(0.5/1000納米粉/水)靜置24小時對比實 驗照片如圖3-l號樣品。
實施例2
取一定量商品化二氧化硅納米粉體放在等離子體處理設備的專用傳輸裝置上。示意圖 如圖2(或加裝等離子體噴嘴的通道)，該容器或載體置于常壓、常溫等離子體噴射裝置的噴 口下方特定距離2厘米以內(nèi)(噴嘴部分通道的設計按特定要求)，納米粉體鋪放厚度按2-9毫 米厚度鋪放，在開啟常壓、室溫等離子體的前提下，容器或載體做特定速度的運動.實現(xiàn)二 氧化硅納米粉體在氧氣等離子體氛圍、功率40瓦及5秒時間下得到處理。該樣品的透射 電子顯微鏡照片如圖1 。由該樣品形成的水溶膠(0.5/1000納米粉/水)靜置24小時對比 實驗照片如圖3-2號樣品。
權利要求
1. 二氧化硅納米粉體表面大氣壓常溫等離子體改性處理方法，包括將二氧化硅納米粉體置于等離子體處理設備的專用傳輸裝置上，在大氣壓，開放環(huán)境下，直接將等離子體噴射到二氧化硅納米粉體表面，使二氧化硅納米粉體在等離子體氛圍中運動，處理二氧化硅納米粉體的功率為10W-5000W，時間為0.01s-6000s，產(chǎn)生二氧化硅納米粉體表面改性。
2. 根據(jù)權利要求1所述的二氧化硅納米粉體表面大氣壓常溫等離子體改性處理方法，其特征在于所述的等離子體選自氦氣、氬氣或功能性氣體中的一種或幾種，其中氦氣、氬氣摩爾比為50%_99.99%，功能性氣體為0.001 30%,同時流經(jīng)等離子體形成區(qū)形成等離 子體氛圍。
3. 根據(jù)權利要求2所述的二氧化硅納米粉體表面大氣壓常溫等離子體改性處理方法，其特 征在于所述的氦氣或氬氣的純度為99.99%。
4. 根據(jù)權利要求2所述的二氧化硅納米粉體表面大氣壓常溫等離子體改性處理方法，其特 征在于所述的功能性氣體為S02、氨氣、氧氣、氫氣、氮氣、四氟化碳、二氧化碳、甲 烷CH4、乙烷C2H6 、丙烷C3H8、 丁烷C4H10 、戊烷C5H12 、己烷C6H14 、庚烷C7H16 、 辛烷C8H18、壬烷C9H20 、癸烷C10H22、 i^一烷C11H24 、 十二烷C12H26 、十三烷 C13H28、乙烯(C2H4)、丙烯(C3H6)、 丁烯(C4H8)、戊烯(C5H10)、己烯(C6H12)、 丙二烯(C3H4)、 丁二烯(C4H6)、異戊二烯(C5H8)、己三烯(C6H8)、乙炔(C2H2)、丙 炔(C3H4)、 丁炔(C4H6)、戊炔(C5H8)、己炔(C6H10)、庚炔(C7H12)、辛炔(C8H14)、 壬炔(C9H16)、癸炔(C10H18)、十一炔(C11H20)、四氟乙烯和硅垸、各種硅氧垸氣體、 丙烯酸，甲基丙烯酸的蒸汽或它們組合氣體。
5. 據(jù)權利要求1-3中任一權利要求所述的方法，其特征在于在噴射等離子體氛圍前提下 將納米表面按不同要求的需求進行表面改性。
6. 據(jù)權利要求1-3中任一權利要求所述的方法，其特征在于該方法改性納米二氧化硅用 于高分子材料改性、高分子復合材料改性以及纖維。
全文摘要
本發(fā)明涉及二氧化硅納米粉體表面大氣壓常溫等離子體改性處理方法，包括將二氧化硅納米粉體置于等離子體處理設備的專用傳輸裝置上，在大氣壓，開放環(huán)境下，直接將等離子體噴射到二氧化硅納米粉體表面，使二氧化硅納米粉體在等離子體氛圍中運動，處理二氧化硅納米粉體的功率為10W-5000W，時間為0.01s-6000s，產(chǎn)生二氧化硅納米粉體表面改性。本發(fā)明方法在大氣壓和常溫下可一步直接改善二氧化硅納米粉體的表面性質(zhì)、結構和形態(tài)，工藝可控性強，改換工藝簡單、干法加工工藝對環(huán)境的污染??；發(fā)明所得二氧化硅納米顆粒表面產(chǎn)生同性相斥的效果，達到減少納米顆粒團聚的可能性。
文檔編號C01B33/12GK101417807SQ200810202249
公開日2009年4月29日 申請日期2008年11月5日 優(yōu)先權日2008年11月5日
發(fā)明者吳紅艷, 張迎晨, 謝建飛, 邱夷平 申請人:東華大學;中原工學院