專利名稱：一種表面聚合改性的二氧化硅及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無機(jī)材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種表面聚合改性的二氧化硅及其制備方法。
背景技術(shù)：
無機(jī)納米粒子填充聚合物材料同時兼具有機(jī)材料和無機(jī)材料的優(yōu)點(diǎn)，其中納米級無機(jī)粒子與微米級的無機(jī)粒子填充聚合物材料相比較，可以在填充量較低的條件下，具有較好的補(bǔ)強(qiáng)作用，能顯著地改善聚合物復(fù)合材料的韌性、剛性、強(qiáng)度以及耐磨性能等多方面特性。因而可以廣泛應(yīng)用于橡膠、塑料、粘合劑、涂料和功能材料等領(lǐng)域。納米粒子具有一些特殊的特點(diǎn)比表面積很大，表面能很高，處于熱力學(xué)的介穩(wěn)定態(tài)。為降低其表面能，納米粒子在制備、處理過程中，容易出現(xiàn)團(tuán)聚的現(xiàn)象，從而形成粒徑 大、熱力學(xué)穩(wěn)定的團(tuán)聚體，影響了納米粒子的實(shí)際應(yīng)用效果；同時，由于未改性的二氧化硅表面的強(qiáng)極性，與有機(jī)介質(zhì)的相容性不好，使其應(yīng)用領(lǐng)域受到限制。因此，需要對二氧化硅超微粒子進(jìn)行表面改性，改變其表面的能量狀態(tài)，提高材料的分散性，增加其與有機(jī)分子的相容性和結(jié)合力。目前工業(yè)上所采用的主要是以干法改性為主。但干法改性時，二氧化硅顆粒易發(fā)生由化學(xué)鍵結(jié)合而形成的團(tuán)聚，因此改性過程中不能有效提高二氧化硅的分散性能。為防止二氧化硅微粒的團(tuán)聚，應(yīng)在二氧化硅微粒產(chǎn)生化學(xué)團(tuán)聚之前進(jìn)行表面改性。常用的方法是在二氧化硅干燥前進(jìn)行濕法改性，二氧化硅濕法表面改性的方法非常多，但現(xiàn)有的濕法改性方法中，由于改性劑多為易水解的有機(jī)物，在水中的溶解性差，且易被水分解，所以用水作為溶劑的改性效果較差。同時，大部分濕法改性方法都是在二氧化硅干燥后進(jìn)行改性，而干燥過程中二氧化硅微粒極易形成團(tuán)聚，從而導(dǎo)致干燥后再改性對于二氧化硅的分散性的改善作用不太顯著。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種表面聚合改性的二氧化硅及其制備方法。該方法以水作為溶劑，避免了有機(jī)溶劑的毒性和危險性，丙烯酸作為改性劑，過硫酸鉀做引發(fā)劑，對沉淀法生產(chǎn)的未經(jīng)干燥過的二氧化硅濾餅直接進(jìn)行表面聚合改性，改變其表面性質(zhì)，并改善了二氧化硅粉體的分散性。本方法得到的二氧化硅粉體粒度分布均勻，粒徑小，樣品分散性好。本發(fā)明采用表面聚合的方法實(shí)現(xiàn)了對粉末材料的表面進(jìn)行改性處理，并達(dá)到了良好的效果。本發(fā)明具體制備步驟如下I)將二氧化硅加入去離子水中，攪拌均勻，超聲分散10_20min，形成二氧化硅懸浮液，濃度為 0. 05-0. 5g/ml ；2)將丙烯酸溶于去離子水中，濃度為0. 02-0. 06g/ml，與步驟I)得到的二氧化硅懸浮液一起倒入三口燒瓶中，其中丙烯酸的質(zhì)量為二氧化硅質(zhì)量的0. 5-7%，邊攪拌邊加熱至60-85 °C，保溫1-2小時；3)稱取0. 1-0. 4g過硫酸鉀溶于30_50ml去離子水中，倒入步驟2)中的三口燒瓶中，攪拌下恒溫反應(yīng)l_3h;4)反應(yīng)完成后，降溫，洗滌，抽濾，干燥，即得表面聚合改性的二氧化硅。步驟I)所述的二氧化硅為由沉淀法直接制備出來的未干燥的二氧化硅。步驟I)所述的二氧化硅的粒徑為200nm-2 u m。步驟4)制得的表面聚合改性的二氧化硅的粒徑為100_600nm。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于用沉淀法制備二氧化硅，因原硅酸脫水生成二氧化硅的過程中表面羥基脫水形成的氧橋團(tuán)聚，是影響二氧化硅質(zhì)量的主要問題。用丙烯酸對二氧化硅濾餅在水介質(zhì)中進(jìn)行表面聚合改性，使聚丙烯酸包覆在二氧化硅表面，減少干燥過程中的團(tuán)聚，達(dá)到改善二氧化硅樣品的分散性的目的，使用該方法可以獲得高分散性的超細(xì)二氧 化硅粉末材料。改性后的二氧化硅產(chǎn)品，吸油值明顯降低，平均粒徑減小，粒度分布變窄，其體積粒度分布與數(shù)量粒度分布一致，表現(xiàn)出了單分散特性，產(chǎn)品性能得到顯著提高。同時，此改性方法所用溶劑為水，避免了現(xiàn)有濕法改性使用有機(jī)溶劑帶來的污染及回收問題，并解決了目前干法改性時產(chǎn)品分散性差的問題。該方法有望應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。


圖I為實(shí)施例I制得的表面聚合改性的二氧化硅粉體的紅外光譜分析圖。圖2為實(shí)施例I制得的表面聚合改性的二氧化硅的X射線衍射分析圖。圖3為實(shí)施例I制得的表面聚合改性的二氧化硅粉體的掃描電子顯微鏡照片。 圖4為實(shí)施例I中表面聚合改性前的二氧化硅粉體的粒度分布圖。圖5為實(shí)施例I制得的表面聚合改性的二氧化硅粉體的粒度分布圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I將20g由沉淀法直接制備出來的未干燥的二氧化硅濾餅加入80ml去離子水中攪拌均勻，超聲分散20min,形成二氧化娃懸浮液,二氧化娃粒徑為Ium;將0. 3g的丙烯酸溶于IOml去離子水中，與之前準(zhǔn)備的二氧化硅懸浮液一起倒入三口燒瓶中，邊攪拌邊加熱至85°C，保溫I小時；稱取0. 2g過硫酸鉀溶于40ml去離子水中，倒入三口燒瓶，在水浴鍋中邊攪拌邊恒溫反應(yīng)2h ；反應(yīng)完成后，降溫，洗滌，抽濾，干燥，即得表面聚合改性的二氧化硅，平均粒徑為306. 3nm。圖I是表面聚合改性的二氧化硅的紅外光譜圖，圖中表明丙烯酸作改性劑發(fā)揮了作用，有效的與二氧化硅表面反應(yīng)，改變了二氧化硅產(chǎn)品的表面成分；X射線衍射分析，見圖2，證實(shí)制得的二氧化硅粉體是無定形的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)；掃描電子顯微鏡照片，見圖3，表明其粒子的無定形形態(tài)及粒子粒徑分布均勻；粒度分布分析，見圖5，d(0. I) 220. 2nm,d (0. 5) 282. 6nm, d (0. 9) :362. 6nm,表面聚合改性的二氧化硅大部分粒子的粒徑在200_350nm。
實(shí)施例2取20g由沉淀法直接制備出來的未干燥的二氧化硅濾餅加入IOOml去離子水中攪拌均勻，超聲分散IOmin,形成二氧化娃懸浮液,二氧化娃粒徑為I ii m ;將0. 2g的丙烯酸溶于6ml去離子水中，與之前準(zhǔn)備的二氧化硅懸浮液一起倒入三口燒瓶中，邊攪拌邊加熱至75°C，保溫I小時；稱取0. Ig過硫酸鉀溶于30ml去離子水中，倒入三口燒瓶，在水浴鍋中邊攪拌邊恒溫反應(yīng)2. 5h ；反應(yīng)完成后，降溫，洗滌，抽濾，干燥，即得表面聚合改性的二氧化硅，平均粒徑為310. 2nm。 粒度分布分析d(0.I) 228. 9nm, d(0. 5) :292. lnm, d(0. 9) :373. 5nm ;紅外光譜分析、X射線衍射分析和掃描電子顯微鏡照片與實(shí)施例I相似。實(shí)施例3將20g由沉淀法直接制備出來的未干燥的二氧化硅濾餅加入90ml去離子水中攪拌均勻，超聲分散IOmin,形成二氧化娃懸浮液,二氧化娃粒徑為Iym;將0. 35g的丙烯酸溶于IOml去離子水中，與之前準(zhǔn)備的二氧化硅懸浮液一起倒入三口燒瓶中，邊攪拌邊加熱至60°C，保溫2小時；稱取0. 4g過硫酸鉀溶于50ml去離子水中，倒入三口燒瓶，在水浴鍋中邊攪拌邊恒溫反應(yīng)2. 5h ；反應(yīng)完成后，降溫，洗滌，抽濾，干燥，即得表面聚合改性的二氧化硅，平均粒徑為316. 6nm。粒度分布分析d(0.I) 236. 8nm, d(0. 5) :288. 7nm, d(0. 9) :390. 2nm ;紅外光譜分析、X射線衍射分析和掃描電子顯微鏡照片與實(shí)施例I相似。實(shí)施案例4將20g由沉淀法直接制備出來的未干燥的二氧化硅濾餅加入60ml去離子水中攪拌均勻，超聲分散15min,形成二氧化娃懸浮液,二氧化娃粒徑為Ium;將0. 4g的丙烯酸溶于15ml去離子水中，與之前準(zhǔn)備的二氧化硅懸浮液一起倒入三口燒瓶中，邊攪拌邊加熱至80°C，保溫2小時；稱取0. 3g過硫酸鉀溶于45ml去離子水中，倒入三口燒瓶，在水浴鍋中邊攪拌邊恒溫反應(yīng)Ih ；反應(yīng)完成后，降溫，洗滌，抽濾，干燥，即得表面聚合改性的二氧化硅，平均粒徑為321. 8nm。粒度分布分析d(0.I) 242. 3nm, d(0. 5) :304. 6nm, d(0. 9) :397. 7nm ;紅外光譜分析、X射線衍射分析和掃描電子顯微鏡照片與實(shí)施例I相似。實(shí)施案例5將20g由沉淀法直接制備出來的未干燥的二氧化硅濾餅加入120ml去離子水中攪拌均勻，超聲分散20min,形成二氧化娃懸浮液,二氧化娃粒徑為I y m ;將0. 15g的丙烯酸溶于5ml去離子水中，與之前準(zhǔn)備的二氧化硅懸浮液一起倒入三口燒瓶中，邊攪拌邊加熱至70°C，保溫I小時；稱取0. 2g過硫酸鉀溶于30ml去離子水中，倒入三口燒瓶，在水浴鍋中邊攪拌邊恒溫反應(yīng)Ih ；反應(yīng)完成后，降溫，洗滌，抽濾，干燥，即得表面聚合改性的二氧化硅，平均粒徑為293. 6nm。粒度分布分析d(0.I) 218. 2nm, d(0. 5) :285. 3nm, d(0. 9) :366. 2nm ;紅外光譜分
析、X射線衍射分析和掃描電子顯微鏡照片與實(shí)施例I相似。
權(quán)利要求
1.一種表面聚合改性的二氧化硅的制備方法，其特征在于，其具體制備步驟如下 1)將二氧化硅加入去離子水中，攪拌均勻，超聲分散10-20min，形成二氧化硅懸浮液，濃度為 0. 05-0. 5g/ml ； 2)將丙烯酸溶于去離子水中，濃度為0.02-0. 06g/ml，與步驟I)得到的二氧化硅懸浮液一起倒入三口燒瓶中，其中丙烯酸的質(zhì)量為二氧化硅質(zhì)量的0. 5-7%，邊攪拌邊加熱至60-85 °C，保溫1-2小時； 3)稱取0.1-0. 4g過硫酸鉀溶于30-50ml去離子水中，倒入步驟2)中的三口燒瓶中，攪拌下恒溫反應(yīng)l_3h ； 4)反應(yīng)完成后，降溫，洗滌，抽濾，干燥，即得表面聚合改性的二氧化硅。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于，步驟I)所述的二氧化硅為由沉淀法 直接制備出來的未干燥的二氧化硅。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于，步驟I)所述的二氧化硅的粒徑為200nm_2 u mD
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于，步驟4)制得的表面聚合改性的二氧化硅的粒徑為100-600nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于無機(jī)材料制備技術(shù)領(lǐng)域的一種表面聚合改性的二氧化硅及其制備方法。該方法以水作為溶劑，避免了有機(jī)溶劑的毒性和危險性，丙烯酸作為改性劑，過硫酸鉀做引發(fā)劑，對沉淀法生產(chǎn)的未經(jīng)干燥過的二氧化硅濾餅直接進(jìn)行表面聚合改性，改變其表面性質(zhì)，并改善了二氧化硅粉體的分散性。本方法得到的表面聚合改性的二氧化硅粉體粒度分布均勻，粒徑小，產(chǎn)品分散性好。本發(fā)明采用表面聚合的方法實(shí)現(xiàn)了對粉末材料的表面進(jìn)行改性處理，并達(dá)到了良好的效果。
文檔編號C08F2/44GK102746715SQ20121016389
公開日2012年10月24日 申請日期2012年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月24日
發(fā)明者趙松, 金鑫 申請人:北京化工大學(xué)