專利名稱：一種制備納米二氧化硅的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米二氧化硅的制備方法，具體地說，涉及一種利用液相錯(cuò)流剪 切的微孔分散法制備納米二氧化硅的方法。
背景技術(shù)：
納米二氧化硅具有體積效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)等特殊性能，廣泛應(yīng)用于硅橡膠、涂 料、造紙、食品、化妝品、醫(yī)藥等領(lǐng)域。目前常用的納米二氧化硅制備方法主要有以下兩類 (1)氣相法四氯化硅在氫氧焰中水解制備納米二氧化硅。(2)液相法分為直接沉淀法及 水解法兩種，前者以水玻璃、以及鹽酸或其他酸化劑為原料，直接沉淀反應(yīng)制備納米二氧化 硅；后者以無機(jī)鹽或金屬醇鹽為初始原料，利用原料的水解反應(yīng)制備納米二氧化硅。但是，上述方法都存在著各自的缺點(diǎn)，氣相法及水解法能制備出粒度小、比表面積 大的納米二氧化硅顆粒，但其反應(yīng)復(fù)雜、產(chǎn)量小、成本高；直接沉淀法雖然成本較低，但其制 備所得顆粒的粒度偏大、比表面積小、單分散性不佳。直接沉淀法產(chǎn)生上述缺點(diǎn)的原因在于 各物料的微觀混合差，直接沉淀時(shí)反應(yīng)無法在體系內(nèi)均勻進(jìn)行，此外反應(yīng)放熱導(dǎo)致溫度分 布不均勻，顆粒生長(zhǎng)難以控制等也是重要原因之一。為了解決上述問題，本發(fā)明人在直接沉淀法的基礎(chǔ)上，利用流體剪切的微孔分散 方法制備納米二氧化硅。利用流體剪切的微孔分散有利于均相和非均相體系的充分混合， 能夠提高體系傳熱傳質(zhì)效率，有助于解決快速反應(yīng)或部分可逆反應(yīng)過程中因傳遞限制引起 的可控性差的問題，為直接沉淀法在制備粒度小、比表面積大、單分散性較好的納米二氧化 硅方面取得突破創(chuàng)造了條件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種制備納米二氧化硅的方法，該方法操作簡(jiǎn)便、成本低、 過程可控，能制備出粒徑小、比表面積大且分散均勻的納米二氧化硅顆粒。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明的制備納米二氧化硅的方法，將氨氣通過微孔濾 膜或微孔篩板后，從垂直方向分散到流動(dòng)的氟硅酸銨水溶液中，使氨氣與氟硅酸銨水溶液 錯(cuò)流流動(dòng)；氨氣被錯(cuò)流流動(dòng)的氟硅酸銨水溶液剪切成微小氣泡，該氨氣微小氣泡與氟硅酸 銨水溶液混合反應(yīng)，制得納米二氧化硅。所述氨氣微小氣泡的直徑在0. 2 600 ym，氣泡直 徑大小可以通過微孔濾膜或微孔篩板上的微孔當(dāng)量直徑及氨氣流速進(jìn)行控制，進(jìn)而控制最 終生成的納米二氧化硅的粒徑大小。其中，所述微孔濾膜或微孔篩板上的微孔當(dāng)量直徑為0. 2 1000 ym。氨氣的流速為30 120m/s，氟硅酸銨水溶液的流速為0. 4 10m/S。氟硅酸銨水 溶液的濃度為2wt% 5wt%。具體地說，本發(fā)明的制備納米二氧化硅的方法，包括如下步驟1)配制濃度為2wt% 5wt%的氟硅酸銨水溶液，并使其按流速0. 4 lOm/s流 動(dòng)；
2)將氨氣以30 120m/s的流速穿過微孔濾膜或微孔篩板，從垂直方向加入到上述流動(dòng)的氟硅酸銨水溶液中，使氨氣與氟硅酸銨錯(cuò)流流動(dòng)；3)氨氣被錯(cuò)流流動(dòng)的氟硅酸銨水溶液剪切分割成微小氣泡，該氨氣微小氣泡與氟 硅酸銨水溶液混合反應(yīng)，生成二氧化硅沉淀，沉淀隨氟硅酸銨水溶液流出，然后經(jīng)過濾、水 洗除雜、干燥、粉碎(按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)粉碎，即45 μ m篩余物含量< 0. 5% )，得到納米二氧化硅。本發(fā)明方法通過控制氨氣、氟硅酸銨水溶液的流速及氟硅酸銨水溶液的濃度，使 氨氣與氟硅酸銨的物質(zhì)的量之比控制在2 10 1(氨氣過量)，即保持氨氣始終處于一定 的過飽和狀態(tài)。本發(fā)明方法以氨氣和氟硅酸銨水溶液為原料制備二氧化硅，所選體系發(fā)生的是正 向放熱的可逆反應(yīng)，反應(yīng)速度快，其傳遞過程為制備過程中的控制步驟。對(duì)于該氣液反應(yīng)體 系，利用液相錯(cuò)流剪切的微孔分散可以將氣相均勻分割成微小氣泡，加快了傳遞的進(jìn)行，提 高了混合后反應(yīng)體系的均勻性；并且，氣液兩相的定向流動(dòng)提高了體系的傳熱效率，從而提 高了溫度的可控性，避免了因反應(yīng)放熱導(dǎo)致溫度不均造成顆粒不均等缺點(diǎn)。上述兩方面原 因保證了體系具有一定的過飽和度，并控制反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，從而能夠可控制備粒 徑小且分布均勻的納米二氧化硅顆粒。此外，本發(fā)明可以通過調(diào)節(jié)兩相流體的流速簡(jiǎn)單方 便地調(diào)控顆粒的尺寸，液相流速增大，顆粒粒徑減小。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，本發(fā)明利用液相錯(cuò)流剪切的微孔分散方法制備納米二氧化硅 顆粒，其生產(chǎn)成本低、操作簡(jiǎn)便、過程可控；并且能制備出粒徑小、比表面積大、分布均勻的 納米二氧化硅顆粒。
具體實(shí)施例方式以下通過具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例1:1)配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3. 5%氟硅酸銨水溶液，并使其以2m/s的流速流動(dòng)；2)在壓力作用下，將氨氣以120m/s的流速穿過當(dāng)量直徑5微米的微孔濾膜，從垂 直方向加入到上述流動(dòng)的氟硅酸銨水溶液中，使氨氣與氟硅酸銨錯(cuò)流流動(dòng)；3)氨氣被錯(cuò)流流動(dòng)的氟硅酸銨水溶液剪切成微小氣泡，該氨氣微小氣泡與氟硅 酸銨水溶液充分混合，反應(yīng)生成二氧化硅沉淀，沉淀隨氟硅酸銨水溶液流出，經(jīng)過濾、多次 純水洗滌除雜，再經(jīng)干燥、粉碎，得到納米二氧化硅顆粒，其平均粒徑為20nm，比表面積為 354. 9m2/g。實(shí)施例2:1)配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3. 5%氟硅酸銨水溶液，并使其以0. 4m/s的流速流動(dòng)；2)在壓力作用下，將氨氣以90m/s的流速穿過當(dāng)量直徑0. 2微米的微孔濾膜，從垂 直方向加入到上述流動(dòng)的氟硅酸銨水溶液中，并被錯(cuò)流流動(dòng)的氟硅酸銨水溶液剪切成微小 氣泡；3)氨氣被錯(cuò)流流動(dòng)的氟硅酸銨水溶液剪切成微小氣泡，該氨氣微小氣泡與氟硅 酸銨水溶液充分混合，反應(yīng)生成二氧化硅沉淀，沉淀隨氟硅酸銨水溶液流出，經(jīng)過濾、多次 純水洗滌除雜，再經(jīng)干燥、粉碎，得到納米二氧化硅顆粒，其平均粒徑為60nm，比表面積為 309. 6m2/g。
實(shí)施例3 1)配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3. 5%氟硅酸銨水溶液，以4m/s的流速流動(dòng)；2)在壓力作用下，將氨氣以120m/s的流速穿過當(dāng)量直徑1000微米的微孔篩板， 從垂直方向加入到上述氟硅酸銨水溶液中，并被錯(cuò)流流動(dòng)的氟硅酸銨水溶液剪切成微小氣 泡；3)氨氣被錯(cuò)流流動(dòng)的氟硅酸銨水溶液剪切成微小氣泡，該氨氣微小氣泡與氟硅 酸銨水溶液充分混合，反應(yīng)生成二氧化硅沉淀，沉淀隨氟硅酸銨水溶液流出，經(jīng)過濾、多次 純水洗滌除雜，再經(jīng)干燥、粉碎，得到納米二氧化硅顆粒，其平均粒徑為77nm，比表面積為 283. 2m2/g。對(duì)比例1 1)配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3. 5%氟硅酸銨水溶液；2)將氨氣以SOOmL/min的流速通入上述氟硅酸銨水溶液中，并在燒杯中通過快速 攪拌，使兩者混合反應(yīng)，生成二氧化硅沉淀；3)沉淀經(jīng)過濾、多次純水洗滌除雜，再經(jīng)干燥、粉碎，得到納米二氧化硅顆粒，其平 均粒徑為151nm、且粒徑分布寬，比表面積為214. 2m2/g。與實(shí)施例1相比可以看出，本發(fā)明方法制備出的納米顆粒粒度較小、比表面積大 且單分散性好。雖然，上文中已經(jīng)用一般性說明及具體實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明作了詳盡的描述，但在 本發(fā)明基礎(chǔ)上，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以對(duì)之作一些修改或改進(jìn)，這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人 員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進(jìn)，均屬于 本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
一種制備納米二氧化硅的方法，其特征在于，將氨氣通過微孔濾膜或微孔篩板后，從垂直方向分散到流動(dòng)的氟硅酸銨水溶液中，使氨氣與氟硅酸銨水溶液錯(cuò)流流動(dòng)；氨氣被錯(cuò)流流動(dòng)的氟硅酸銨水溶液剪切成微小氣泡，該氨氣微小氣泡與氟硅酸銨水溶液混合反應(yīng)，制得納米二氧化硅。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述微孔濾膜或微孔篩板上的微孔 當(dāng)量直徑為0.2 1000微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，氨氣流速為30 120m/s，氟硅酸銨 水溶液的流速為0. 4 lOm/s。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述氟硅酸銨水溶液的濃度為 2wt%~ 5wt%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，包括如下步驟 1)配制濃度為2wt% 5wt%的氟硅酸銨水溶液，并使其按流速0. 4 lOm/s流動(dòng)；2)將氨氣以30 120m/s的流速穿過微孔濾膜或微孔篩板，從垂直方向加入到上述氟 硅酸銨水溶液中，使氨氣與氟硅酸銨錯(cuò)流流動(dòng)；3)氨氣被錯(cuò)流流動(dòng)的氟硅酸銨水溶液剪切分割成微小氣泡，該氨氣微小氣泡與氟硅酸 銨水溶液混合反應(yīng)，生成二氧化硅沉淀，沉淀隨氟硅酸銨水溶液流出，然后經(jīng)過濾、水洗除 雜、干燥、粉碎，得到納米二氧化硅。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種制備納米二氧化硅的方法，該方法將氨氣通過微孔濾膜或微孔篩板后，從垂直方向分散到流動(dòng)的氟硅酸銨水溶液中，使氨氣與氟硅酸銨水溶液錯(cuò)流流動(dòng)；氨氣被錯(cuò)流流動(dòng)的氟硅酸銨水溶液剪切成微小氣泡，該氨氣微小氣泡與氟硅酸銨水溶液混合反應(yīng)，制得納米二氧化硅。本發(fā)明利用液相錯(cuò)流剪切的微孔分散方法制備納米二氧化硅顆粒，其生產(chǎn)成本低、操作簡(jiǎn)便、過程可控；并且制備出的納米二氧化硅顆粒粒徑小、比表面積大且分布均勻。
文檔編號(hào)C01B33/12GK101798090SQ201010141379
公開日2010年8月11日 申請(qǐng)日期2010年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月7日
發(fā)明者呂陽(yáng)成, 杜樂, 王玉軍, 駱廣生 申請(qǐng)人:清華大學(xué)