專利名稱：一種制備高純球形納米二氧化硅的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種高純球形納米二氧化硅的制備方法，特別是用等離子體氫熱還原
法制備高純球形納米二氧化硅的方法，屬于材料技術(shù)領(lǐng)域。
二背景技術(shù)：
納米Si02是應(yīng)用較早的納米材料之一，已被廣泛的應(yīng)用于橡膠改性、工程塑料、陶 瓷、生物、醫(yī)學(xué)、光學(xué)、建材、樹(shù)脂基復(fù)合材料中。近年來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)發(fā)了納米Si(^的一些新 的應(yīng)用領(lǐng)域。如在農(nóng)業(yè)中，應(yīng)用納米Si(^制作農(nóng)業(yè)種子處理劑，可使蔬菜(甘藍(lán)、西紅柿、黃 瓜)棉花、玉米、小麥提高產(chǎn)量，提前成熟期。在食品行業(yè)中，添加了納米Si(^的食品包裝 袋，對(duì)水果、蔬菜可起到保鮮作用；應(yīng)用納米Si(^于酒類生產(chǎn)中可起到凈化和延長(zhǎng)保鮮期的 作用；納米Si02還可作為防治水果、蔬菜各種疾病的高效殺菌劑。高純球形納米Si02作為 一種新型材料，具有親水性、穩(wěn)定性、高介電、高耐熱、高耐濕、高填充量、低膨脹、低應(yīng)力、低 雜質(zhì)、低摩擦系數(shù)。市場(chǎng)潛力巨大，經(jīng)濟(jì)效益明顯。目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用的高純球形納米Si02基 本依賴于進(jìn)口。高純球形納米Si(^粉體的研究，對(duì)于諸多行業(yè)產(chǎn)品的提檔升級(jí)具有極其重 要的意義，也將會(huì)大大改變高純球形納米Si02僅依賴于進(jìn)口的局面。 近年來(lái)，我國(guó)對(duì)納米Si02的研究進(jìn)展迅速，但對(duì)高純球形納米Si02的研究較少。 目前，制備高純球形納米Si(^的方法主要有高溫熔融法、機(jī)械整形法、化學(xué)氣相沉積法以及 溶膠一凝膠法等等，但是效果不是很理想，如高溫熔融法生產(chǎn)的高純球形納米Si02的成球 率只能達(dá)到80%左右，且溫度高，裝置要求較苛刻、技術(shù)參數(shù)較難控制，不易獲得較高純度、 粒度均勻的產(chǎn)品。化學(xué)氣相沉積法原料昂貴、能耗高、技術(shù)復(fù)雜、對(duì)設(shè)備要求苛刻，其制得的 Si02的應(yīng)用也很有限。因此需要開(kāi)發(fā)一種工藝簡(jiǎn)單、成本低、經(jīng)濟(jì)效益高、更加有效地利用 二次資源的高純球形納米二氧化硅的制備方法。
三
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種制備高純球形納米二氧化硅的方法，其工藝簡(jiǎn)單、成本 低、經(jīng)濟(jì)效益高、原料價(jià)格低廉、節(jié)能環(huán)保。 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明上述目的采用的技術(shù)步驟如下將含Si02原料在450 IOO(TC下處 理，研磨成粉，酸浸除雜；等離子體反應(yīng)爐內(nèi)密閉進(jìn)行氫熱還原，生成Si氣體和SiO氣體； 以10 IOO(TC /min的速度冷卻，SiO歧化反應(yīng)，離開(kāi)等離子體區(qū)的氣體生成Si和Si02球形 納米顆粒；Si02和Si的混合物加熱到300 80(TC氧化處理，最后得到高純球形納米Si02。
本發(fā)明的具體技術(shù)方案為 (1)含Si02原料加熱處理時(shí)間為1 5h，研磨粒度為50目以下，采用O. 5 4mo1/ L鹽酸酸浸，時(shí)間為0. 1 3h，酸浸后用蒸餾水洗滌2 5次，在真空干燥箱里烘干，烘干溫 度為80 120°C，時(shí)間為0. 5 3h，最后將粉末在0. 6 5MPa下壓塊；
(2)離子體反應(yīng)爐內(nèi)反應(yīng)壓力控制在10 110kPa，氫氣流量為1 10L/min，反應(yīng) 時(shí)間為10 50min ;
(3)Si02和Si的混合物加熱氧化處理時(shí)間為10 60min，氧氣流速為0. 25L/ min 10L/min。 在所述的離子體反應(yīng)爐內(nèi)反應(yīng)時(shí)還通入氬作為保護(hù)氣，氬氣流量為10 100L/ miru 上述的含Si(^原料采用火力發(fā)電廠燃料燃燒灰、稻殼灰、二氧化硅礦中的一種或幾種。 與現(xiàn)有的制備高純球形納米Si02的方法相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
1.工藝簡(jiǎn)單 本發(fā)明對(duì)操作技術(shù)和設(shè)備的要求都相對(duì)較低，因此較容易工業(yè)化實(shí)施。
2.經(jīng)濟(jì)效益高 本工藝使用的原料為火力發(fā)電廠燃燒灰、稻殼灰和二氧化硅礦，價(jià)格低廉；直接用 等離子體氫熱還原，無(wú)須添加任何其他還原劑和添加劑，并且工藝流程簡(jiǎn)單，省去了大量的 工藝步驟，能源消耗大大降低，從而可以大幅度提高經(jīng)濟(jì)效益。
3.節(jié)能環(huán)保 本發(fā)明可以處理的原料(火力發(fā)電廠燃燒灰、稻殼灰等)是工業(yè)廢棄物，如果直接 丟棄，會(huì)造成環(huán)境污染。本工藝步驟簡(jiǎn)單，能耗低，并且沒(méi)有廢棄物排出，做到了變廢為寶、 環(huán)保節(jié)能。
四

圖1為本發(fā)明工藝流程示意圖。
五具體實(shí)施方式

實(shí)施例一 使用火力發(fā)電廠燃料燃燒灰(二氧化硅含量為80wt% )為原料。首先將原料進(jìn)行 高溫處理，溫度控制在80(TC，處理時(shí)間為2h ;自然冷卻后研磨成50目以下粉末并采用鹽酸 酸浸處理進(jìn)行除雜，鹽酸濃度為3mol/L，處理時(shí)間為lh ;經(jīng)蒸餾水洗滌3次后在真空干燥箱 里烘干，烘干溫度為12(TC，時(shí)間為lh ;最后將粉末壓塊，成型壓力為4MPa。置于氫氬等離子 體反應(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行氫熱還原，控制壓力為100kPa，氬氣流速為50L/min，氫氣流速為5L/min。 反應(yīng)15min，得到SiO氣體和Si氣體；在離開(kāi)等離子體區(qū)時(shí)，以800°C /min的速度冷卻，SiO 氣體發(fā)生歧化反應(yīng)生成球形納米Si和Si02，同時(shí)Si氣體迅速凝結(jié)成球形納米Si顆粒。將 得到的混合物經(jīng)過(guò)氧化處理，氧氣流速為1. 5L/min，氧化溫度為38(TC，時(shí)間為15min，最終 得到高純球形納米Si02。所得到的高純球形納米Si02的純度為99. 993%，粒度分布均勻， 平均粒徑為55納米。
實(shí)施例二 使用稻殼灰(二氧化硅含量為95wt% )為原料。首先將物料進(jìn)行高溫處理，溫度 控制在85(TC，處理時(shí)間為4h ;自然冷卻后研磨成50目以下粉末并采用鹽酸酸浸處理進(jìn)行 除雜，鹽酸濃度為3. 5mol/L，處理時(shí)間為2. 5h ;經(jīng)蒸餾水洗滌3次后在真空干燥箱里烘干， 溫度為12(TC，時(shí)間為1. 5h ;最后將粉末壓塊，成型壓力為4MPa。置于等離子體反應(yīng)爐內(nèi)，控 制壓力為90kPa ;氬氣流速為80L/min，氫氣流速為8L/min，反應(yīng)20min，得到SiO氣體和Si
4氣體；在離開(kāi)等離子體區(qū)時(shí)，以500°C /min的速度冷卻，Si0氣體發(fā)生歧化反應(yīng)生成球形納 米Si和Si02，同時(shí)Si氣體迅速凝結(jié)成球形納米Si顆粒。將得到的混合物經(jīng)過(guò)氧化處理， 氧氣流速為1. 2L/min，氧化溫度為560°C，時(shí)間為10min，最終得到高純球形納米Si02。所 得到的高純球形納米二氧化硅的純度為99. 992%，粒度分布均勻，平均粒徑為60納米。
實(shí)施例三 使用含二氧化硅為99wt^的二氧化硅石英砂為原料。首先將物料進(jìn)行高溫處理， 溫度控制在650°C，處理時(shí)間為3h ;自然冷卻后研磨成50目以下粉末并采用鹽酸酸浸處理 進(jìn)行除雜，鹽酸濃度為lmol/L，處理時(shí)間為0. 5h ;經(jīng)蒸餾水洗滌2次后在真空干燥箱里烘 干，溫度為12(TC，時(shí)間為lh ;最后將粉末壓塊，成型壓力為4MPa。置于等離子體反應(yīng)爐內(nèi)， 控制壓力為110kPa ;氬氣流速為80L/min，氫氣流速為8L/min，反應(yīng)20min，得到Si0氣體和 Si氣體；在離開(kāi)等離子體區(qū)時(shí)，以300°C /min的速度冷卻，SiO氣體發(fā)生歧化反應(yīng)生成球形 納米Si和Si02，同時(shí)Si氣體迅速凝結(jié)成球形納米Si顆粒。將得到的混合物經(jīng)過(guò)氧化處理， 氧氣流速為1. 8L/min，氧化溫度為750°C，時(shí)間為20min，最終得到高純球形納米Si02。所 得到的高純球形納米二氧化硅的純度為99. 995%，粒度分布均勻，平均粒徑為90納米。
權(quán)利要求
一種制備高純球形納米二氧化硅的方法，其特征是工藝步驟如下將含SiO2原料在450～1000℃下處理，研磨成粉，酸浸除雜；等離子體反應(yīng)爐內(nèi)密閉進(jìn)行氫熱還原，生成Si氣體和SiO氣體；以10～1000℃/min的速度冷卻，SiO歧化反應(yīng)，離開(kāi)等離子體區(qū)的氣體生成Si和SiO2球形納米顆粒；SiO2和Si的混合物加熱到300～800℃氧化處理，最后得到高純球形納米SiO2。
2. 按權(quán)利要求1所述的制備高純球形納米二氧化硅的方法，其特征是(1) 含Si02原料加熱處理時(shí)間為1 5h，研磨粒度為50目以下，采用0. 5 4mol/L鹽 酸酸浸，時(shí)間為0. 1 3h，酸浸后用蒸餾水洗滌2 5次，在真空干燥箱里烘干，烘干溫度為 80 120°C，時(shí)間為0. 5 3h，最后將粉末在0. 6 5MPa下壓塊；(2) 離子體反應(yīng)爐內(nèi)反應(yīng)壓力控制在10 110kPa，氫氣流量為1 10L/min，反應(yīng)時(shí)間 為10 50min ;(3) Si02和Si的混合物加熱氧化處理時(shí)間為10 60min，氧氣流速為0. 25L/min 10L/min。
3. 按權(quán)利要求2所述的制備高純球形納米二氧化硅的方法，其特征是離子體反應(yīng)爐內(nèi)反應(yīng)時(shí)通入氬作為保護(hù)氣，氬氣流量為10 100L/min。
4. 按權(quán)利要求2所述的制備高純球形納米二氧化硅的方法，其特征是含Si02原料采 用火力發(fā)電廠燃料燃燒灰、稻殼灰、二氧化硅礦中的一種或幾種。
全文摘要
本發(fā)明屬于一種高純球形納米二氧化硅的制備方法，特別是用等離子體氫熱還原法制備高純球形納米二氧化硅的方法，屬于材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明工藝步驟如下將含SiO2原料在450～1000℃下處理，研磨成粉，酸浸除雜；等離子體反應(yīng)爐內(nèi)密閉進(jìn)行氫熱還原，生成Si氣體和SiO氣體；以10～1000℃/min的速度冷卻，SiO歧化反應(yīng)，離開(kāi)等離子體區(qū)的氣體生成Si和SiO2球形納米顆粒；SiO2和Si的混合物加熱到300～800℃氧化處理，最后得到高純球形納米SiO2。本方法獲得的球形納米SiO2純度大于99.99％，粒度分布均勻，平均粒徑為50～200納米。工藝流程短、成本低、經(jīng)濟(jì)效益高、節(jié)能環(huán)保。
文檔編號(hào)C01B33/18GK101746767SQ200910218379
公開(kāi)日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2009年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月17日
發(fā)明者伍繼君, 劉大春, 劉永成, 周曉奎, 周陽(yáng), 戴永年, 朱文杰, 楊振偉, 楊斌, 秦博, 謝克強(qiáng), 馬文會(huì), 魏奎先 申請(qǐng)人:昆明理工大學(xué)