專利名稱：一種燃燒法合成疏水性納米二氧化硅顆粒的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米材料領(lǐng)域，具體地，本發(fā)明涉及一種燃燒法合成疏水性納米二氧化硅顆粒的方法。
背景技術(shù)：
疏水性二氧化硅粉體應用于聚合物填料等有機無機復合領(lǐng)域，需求量巨大。通過表面改性使得親水性二氧化硅具有疏水性能是目前常用的方法。專利 DE^8975將硅油與沉淀法二氧化硅混合，用濕法處理，然后經(jīng)過高溫退火，制備了疏水性二氧化硅。專利CN1161997采用表面嫁接的方法將聚氧烷連接到二氧化硅表面，使之具有疏水性質(zhì)。此外專利 CN1075538C、CN1891626A, US419158、US2002025288A1 等都是采用類似的方法制備疏水性二氧化硅顆粒。但是上述方法工藝復雜，而且產(chǎn)量小。燃燒法合成納米粉體具有諸多優(yōu)勢，產(chǎn)量大。目前，該法是Degussa以及Cabot等國際著名公司大規(guī)模生產(chǎn)商品級納米粉體的主要方法。專利 US2004253164A1、US3772427A, US5979185A、CN126508 以及 W09722553A1 等都使用燃燒法制備了二氧化硅顆粒，但是制備的顆粒均為親水性二氧化硅顆粒。US6696034B2 使用燃燒法制備了納米二氧化硅顆粒并經(jīng)后續(xù)步驟改性后制備了疏水性二氧化硅。但是該方法工藝復雜，對設備要求較高。因此，目前獲得疏水性二氧化硅的主要方法是通過對親水性的二氧化硅顆粒進行表面改性使其具有疏水性，但是通過表面改性存在很多不足首先獲得親水性的二氧化硅， 然后進行表面改性，一般通過引入疏水性官能團達到目的，這樣一來就是得制備過程的工藝變的復雜，而且通過這種方法制備得到產(chǎn)品的產(chǎn)量很小，很難實現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)商品級的納米材料。因此，目前還未有通過燃燒法合成疏水性二氧化硅納米顆粒的報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明人為了解決上述問題提出并完成了本發(fā)明。本發(fā)明的目的是提供一種燃燒法合成疏水性納米二氧化硅顆粒的方法，所述方法包括以下步驟1)加熱有機硅前軀體至產(chǎn)生氣體，保持恒溫；2)通入燃氣、助燃氣、載氣氣體、支路氣體，并點燃，其中，調(diào)節(jié)燃氣、助燃氣、載氣、 支路氣體的流量比為1 0.4 10 0.2 5 17. 5 30。3)收集疏水性二氧化硅納米顆粒。根據(jù)本發(fā)明的燃燒法合成疏水性二氧化硅納米顆粒的方法，其中，所述的有機硅
前驅(qū)體為二氯二甲基硅烷、二氯二乙基硅烷、二氯二丙基硅烷、二氯二苯基硅烷、一氯三甲基硅烷、一氯三乙基硅烷、一氯三丙基硅烷、一氯三苯基硅烷、二羥基二甲基硅烷、二羥基二乙基硅烷、二羥基二苯基硅烷、四甲基硅烷、二甲基二苯基硅烷、四乙基硅烷、六甲基環(huán)三硅氧烷、六甲基二硅氧烷、六甲基二硅胺烷和六甲基二硅氯烷中的一種或幾種的混合物。
根據(jù)本發(fā)明的燃燒法合成疏水性二氧化硅納米顆粒的方法，其中，所述的載氣和支路氣體為氦氣、氖氣、氬氣和氮氣中的一種或幾種的混合物，并且調(diào)節(jié)氣體流量，使支路氣體的氣流量為載氣流量的0. 1 200倍；所述的燃氣為甲烷、氫氣、乙烷等可燃氣體中的一種或幾種的混合物；所述的助燃氣為空氣或氧氣和氮氣的混合物，其中氧氣的濃度為 10% 100% ；傳統(tǒng)的氣相進料燃燒合成，一般通過調(diào)整氧氣或燃氣或載氣流量來調(diào)控火焰場的流動狀態(tài)，達到調(diào)控合成納米顆粒的粒徑等目的，本發(fā)明提供的方法，是在傳統(tǒng)的火焰反應器的基礎上，通過在載氣中外加一股支路氣體，攜帶前驅(qū)體高速通過火焰區(qū)，并快速發(fā)生化學反應、成核、生長，最終形成超細納米粉體。通過調(diào)節(jié)支路氣體流量，實現(xiàn)燃燒合成納米二氧化硅從親水到疏水的轉(zhuǎn)變，本方法工藝簡單，且整個過程一步完成。根據(jù)本發(fā)明的燃燒法合成疏水性二氧化硅納米顆粒的方法，其中，所述的燃燒器為擴散火焰燃燒反應器、預混火焰燃燒器以及對吹火焰燃燒器。在實際生產(chǎn)中，整個實驗裝置可以包括氣體輸送系統(tǒng)、前驅(qū)體輸送系統(tǒng)、顆粒生成系統(tǒng)和收集系統(tǒng)，現(xiàn)有的燃燒法合成親水性疏水性二氧化硅納米顆粒的裝置可以根據(jù)本發(fā)明的方法做相應的改進，添加支路氣體流量控制閥，從而實施本發(fā)明的技術(shù)方案。根據(jù)本法明的燃燒法合成疏水性二氧化硅納米粉體的方法，具體的實施步驟包括(1)將一定量的硅有機液相前驅(qū)體倒入到容器中。(2)將容器放入到水浴鍋或者油浴鍋內(nèi)加熱至合適的溫度，加熱溫度根據(jù)前驅(qū)體各自的沸點不同而設定，目的是使前驅(qū)體以氣體狀態(tài)進入燃燒器燃燒。(3)調(diào)節(jié)作為載氣的惰性氣體流量，惰性氣體一般選用氬氣或者氮氣中的一種。(4)調(diào)節(jié)燃氣流量引燃氣體，燃氣一般選用甲烷或者氫氣中的一種。(5)調(diào)節(jié)助燃氣流量，助燃氣一般選用氧氣或者空氣中的一種。(6)開啟收集真空泵，收集產(chǎn)品粉末。與現(xiàn)有制備疏水性二氧化硅的方法相比較，本方法的優(yōu)勢在于(1)本發(fā)明方法是原位合成疏水納米二氧化硅，在制備過程中從前軀體到最終產(chǎn)品只需要一步即可完成，工藝簡單；(2)通過本方法制備得到的疏水性納米二氧化硅純度高、顆粒均一度高，疏水性良好；(3)使用本方法可很大提高疏水性納米二氧化硅的產(chǎn)量。


圖1為采用本實驗所述方法制備的二氧化硅顆粒的實驗示意圖；圖2為通過實施例1制備的二氧化硅顆粒SEM照片；圖3為通過實施例2制備的二氧化硅顆粒SEM照片；圖4為通過實施例2制備的二氧化硅顆粒的疏水性；圖5為通過實施例3制備的二氧化硅顆粒SEM照片；圖6為通過實施例3制備的二氧化硅顆粒的疏水性。
具體實施例方式現(xiàn)結(jié)合下列實施例更加具體地描述本發(fā)明，如無特別說明，所用試劑均為市售可獲得的產(chǎn)品。實施例1將400mL六甲基二硅氧烷倒入500mL錐形瓶中，將錐形瓶置于水浴鍋中加熱至 50°C，并保持水域溫度恒定。之后，開始調(diào)節(jié)氣體流量，調(diào)解作為載氣的氬氣流量為300mL/ min，通過稱量反應前后錐形瓶的質(zhì)量得知，此條件下前驅(qū)體六甲基二硅氧烷的流量為 17.9g/h。調(diào)節(jié)甲烷流量為0.4L/min，點燃氣體。調(diào)節(jié)氧氣流量為2L/min，調(diào)節(jié)支路氬氣為 5L/min。氣體調(diào)節(jié)好之后，開啟真空泵，收集產(chǎn)品顆粒。收集30分鐘之后，關(guān)閉收集真空泵，關(guān)閉所有氣路。稱量收集到二氧化硅粉末為3. 02g。所的產(chǎn)品粉末經(jīng)過5點BET測試， 其比表面積為觀2. 07m2/g，根據(jù)公式dp = 6/(P *SSA)計算的平均顆粒直徑為9. 6nm，制備納米二氧化硅具有親水性，見圖2。實施例2將400mL六甲基二硅氧烷倒入500mL錐形瓶中，將錐形瓶置于水浴鍋中加熱至 50°C，并保持水域溫度恒定。之后，開始調(diào)節(jié)氣體流量，調(diào)解作為載氣的氬氣流量為300mL/ min，通過稱量反應前后錐形瓶的質(zhì)量得知，此條件下前驅(qū)體六甲基二硅氧烷的流量為 17.9g/h。調(diào)節(jié)甲烷流量為0.41/min，點燃氣體。調(diào)節(jié)氧氣流量為2L/min，調(diào)節(jié)支路氬氣為 7L/min。氣體調(diào)節(jié)好之后，開啟真空泵，收集產(chǎn)品顆粒。收集30分鐘之后，關(guān)閉收集真空泵， 關(guān)閉所有氣路。稱量收集到二氧化硅粉末為2. 81g。所的產(chǎn)品粉末經(jīng)過5點BET測試，其計算的平均顆粒直徑為7. 6nm，制備納米二氧化硅具有疏水性，見圖3，疏水角131度，見圖4。實施例3將400mL的正硅酸乙脂倒入500mL錐形瓶中，將錐形瓶置于油浴鍋中加熱至 195°C，并保持水域溫度恒定。之后，開始調(diào)節(jié)氣體流量。調(diào)解作為載氣的氬氣流量為500mL/ min，通過稱量反應前后錐形瓶的質(zhì)量得知，此條件下前驅(qū)體正硅酸乙脂的流量為27. 9g/h。 調(diào)節(jié)甲烷流量為0. 5L/min,點燃氣體。調(diào)節(jié)氧氣流量為3L/min，調(diào)節(jié)支路氬氣為101/min。 氣體調(diào)節(jié)好之后，開啟真空泵，收集產(chǎn)品顆粒。收集30分鐘之后，關(guān)閉收集真空泵，關(guān)閉所有氣路。稱量收集到二氧化硅粉末為3. 6g。所的產(chǎn)品粉末經(jīng)過5點BET測試，其計算的平均顆粒直徑為18nm，制備納米二氧化硅具有疏水性，見圖5，疏水角1 度，見圖6。實施例4將400mL的正硅酸乙脂倒入500mL錐形瓶中，將錐形瓶置于油浴鍋中加熱至 195°C，并保持水域溫度恒定。之后，開始調(diào)節(jié)氣體流量。調(diào)解作為載氣的氬氣流量為2. 5L/ min，通過稱量反應前后錐形瓶的質(zhì)量得知，此條件下前驅(qū)體正硅酸乙脂的流量為27. 9g/h。 調(diào)節(jié)甲烷流量為0. 5L/min，點燃氣體。調(diào)節(jié)氧氣流量為5L/min，調(diào)節(jié)支路氬氣為151/min。 氣體調(diào)節(jié)好之后，開啟真空泵，收集產(chǎn)品顆粒。收集30分鐘之后，關(guān)閉收集真空泵，關(guān)閉所有氣路。稱量收集到二氧化硅粉末為3. Sg。所的產(chǎn)品粉末經(jīng)過5點BET測試，其計算的平均顆粒直徑為14nm，制備納米二氧化硅具有疏水性，疏水角1 度。實施例5將400mL的正硅酸乙脂倒入500mL錐形瓶中，將錐形瓶置于油浴鍋中加熱至 195°C，并保持水域溫度恒定。之后，開始調(diào)節(jié)氣體流量。調(diào)解作為載氣的氬氣流量為0. IL/min，通過稱量反應前后錐形瓶的質(zhì)量得知，此條件下前驅(qū)體正硅酸乙脂的流量為27. 9g/h。 調(diào)節(jié)甲烷流量為0. 5L/min,點燃氣體。調(diào)節(jié)氧氣流量為0. 2L/min，調(diào)節(jié)支路氬氣為8. 751/ min。氣體調(diào)節(jié)好之后，開啟真空泵，收集產(chǎn)品顆粒。收集30分鐘之后，關(guān)閉收集真空泵，關(guān)閉所有氣路。稱量收集到二氧化硅粉末為2. 4g。所的產(chǎn)品粉末經(jīng)過5點BET測試，其計算的平均顆粒直徑為16nm，制備納米二氧化硅具有疏水性，疏水角1 度。
權(quán)利要求
1.一種燃燒法合成疏水性二氧化硅納米顆粒的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟1)加熱有機硅前軀體至有機硅前軀體以氣體進入燃燒器，保持恒溫；2)向燃燒器中通入燃氣、助燃氣、載氣、支路氣體，并點燃，其中，燃氣、助燃氣、載氣、支路氣體的流量比為1 0.4 10 0.2 5 0. M 30。3)收集疏水性二氧化硅納米顆粒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒法合成疏水性二氧化硅納米顆粒的方法，其特征在于，所述的步驟2)中燃氣、助燃氣、載氣、支路氣體的流量比為1 0.4 10 0.2 5 17. 5 30。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒法合成疏水性二氧化硅納米顆粒的方法，其特征在于，所述的有機硅前驅(qū)體為二氯二甲基硅烷、二氯二乙基硅烷、二氯二丙基硅烷、二氯二苯基硅烷、一氯三甲基硅烷、一氯三乙基硅烷、一氯三丙基硅烷、一氯三苯基硅烷、二羥基二甲基硅烷、二羥基二乙基硅烷、二羥基二苯基硅烷、四甲基硅烷、二甲基二苯基硅烷、四乙基硅烷、 六甲基環(huán)三硅氧烷、六甲基二硅氧烷、六甲基二硅胺烷和六甲基二硅氯烷中的一種或幾種的混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒法合成疏水性二氧化硅納米顆粒的方法，其特征在于， 所述的載氣和支路氣體為氦氣、氖氣、氬氣和氮氣中的一種或幾種的混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒法合成疏水性二氧化硅納米顆粒的方法，其特征在于， 所述的燃氣為甲烷、氫氣、乙烷中的一種或幾種的混合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒法合成疏水性二氧化硅納米顆粒的方法，其特征在于， 所述的助燃氣為空氣或氧氣和氮氣的混合物，其中氧氣的濃度為10% 100%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒法合成疏水性二氧化硅納米顆粒的方法，其特征在于， 所述的燃燒器為擴散火焰燃燒反應器、預混火焰燃燒器以及對吹火焰燃燒器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒法合成疏水性二氧化硅納米顆粒的方法，其特征在于， 所述的支路氣體的氣體流量為載氣流量的0. 1 200倍。
全文摘要
本發(fā)明涉及納米材料領(lǐng)域，具體地，本發(fā)明涉及一種燃燒法合成疏水性納米二氧化硅顆粒的方法。根據(jù)本發(fā)明的燃燒法合成疏水性二氧化硅納米顆粒的方法，該方法包括以下步驟1)加熱有機硅前軀體至有機硅前軀體以氣體進入燃燒器，保持恒溫；2)向燃燒器中通入燃氣、助燃氣、載氣、支路氣體，并點燃，其中，燃氣、助燃氣、載氣、支路氣體的流量比為1∶0.4～10∶0.2～5∶17.5～30。3)收集疏水性二氧化硅納米顆粒。本方法的優(yōu)勢在于本發(fā)明方法是原位合成疏水納米二氧化硅，在制備過程中從前軀體到最終產(chǎn)品只需要一步即可完成；通過本方法制備得到的疏水性納米二氧化硅純度高、顆粒均一度高，疏水性良好；可提高疏水性納米二氧化硅的產(chǎn)量。
文檔編號C01B33/12GK102530962SQ201010595909
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月10日
發(fā)明者劉海弟, 孟東, 岳仁亮, 賈毅, 陳運法 申請人:中國科學院過程工程研究所