專利名稱：一種納米二氧化硅的表面改性方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種納米二氧化硅的表面改性方法，主要是在二氧化硅納米粒子的表面引入官能團，從而改善二氧化硅納米粒子的分散性和抗老化性，屬于粉末材料加工技術領域。
背景技術：
納米二氧化硅是無定型的白色粉末，它是一種無味、無毒、無污染的無機材料，它的量子隧道效應和體積效應使其能夠產生滲透作用，從而深入高分子化合物η鍵附近，和^鍵的電子云發(fā)生重疊作用，形成空間網(wǎng)狀結構，進而大幅提高高分子材料的任性、耐磨性、力學強度和耐老化性；沒有經過表面處理的二氧化硅納米粒子的表面一般被極性基團(如-0H)所包覆，故納米二氧化硅容易因為極性或吸濕吸附而產生團聚，成為帶有若干弱連接界面、尺寸較大的團聚體，難以在有機溶劑中分散，從而限制了其在工業(yè)上的應用；因此 對納米二氧化硅進行有機表面修飾，改善其在溶劑中的分散性能、減少二次團聚現(xiàn)象是非常重要的，我國納米二氧化硅產量雖然大但是產品質量不高，與國外一些知名企業(yè)的產品差距較大，所以研發(fā)出一種生產高品質納米二氧化硅的方法是十分必要的。圖1是KH-550硅烷偶聯(lián)劑改性納米二氧化硅的反應過程；該反應過程分四步，第一步是KH-550中與Si相連的3個水解基團和水反應，生成硅醇；第二步是硅醇之間脫水縮合生成S1-OH的低聚硅氧烷；第三步是低聚硅氧烷中的S1-OH與二氧化硅納米粉體表面上的-OH反應形成氫鍵；第四步是加熱過程中產生脫水及固化，達到與二氧化硅納米粉體形成牢固的共價鍵結合。目前文獻中報道的KH-550硅烷偶聯(lián)劑加入方法為直接加入，或水解加入；中國專利CN201210347232. 5，“一種改性納米二氧化硅的制備方法”，采用原位改性法，即在制備納米二氧化硅的同時進行改性，其中硅烷偶聯(lián)劑為直接加入，加入后反應一段時間，再調pH值，再反應一段時間。

發(fā)明內容
為解決二氧化硅納米粒子的團聚問題，提高其分散性和抗老化性能等，本發(fā)明提供了一種硅烷偶聯(lián)劑改性的納米二氧化硅及其制備方法。本專利直接對納米二氧化硅成品進行改性，實驗表明，在偏堿性條件下可以加速KH-550硅烷偶聯(lián)劑的水解，減少反應的時間，從而提高改性效果，改性后，KH-550硅烷偶聯(lián)劑牢固的鍵合在二氧化硅納米粉體表面，KH-550的加入能夠有效的改善納米二氧化硅填料在聚合物中的分散性和潤濕性，本專利提供了較適宜的PH值范圍和改性時間。為了達到發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術方案是一種二氧化硅納米粉末表面改性方法，其特征在于經過下列步驟制得
A、將二氧化硅納米粉末加入到無水乙醇中，配成質量濃度為1-3%的乙醇溶液，然后超聲振蕩使得二氧化硅納米粉末在乙醇溶液中混合均勻；太濃的話不僅改性效果不好，還會出現(xiàn)爆沸的現(xiàn)象；
B、按二氧化硅質量的O.5-3%，取KH-550硅烷偶聯(lián)劑加入去離子水中，配成質量濃度為1-5%的水溶液，將pH值調至8-11，然后超聲振蕩5-10min使得KH-550硅烷偶聯(lián)劑在去離子水中預水解；
C、將B中得到的水溶液加入A中得到的溶液中，攪拌均勻后，在80°C下攪拌2-4h；
D、對C中得到的混合漿料按常規(guī)進行乙醇洗、水洗、抽濾、烘干、研磨后，即得到表面改性的納米二氧化硅產品。本發(fā)明所述的KH-550硅烷偶聯(lián)劑改性的納米二氧化硅及其制備方法的有益效果主要體現(xiàn)在(I)所述KH-550硅烷偶聯(lián)劑改性的納米二氧化硅在有機溶劑中的分散性得到了提高，從而提高其抗老化性能等；(2)原料廉價、普通，工藝簡單、成本低，利于工業(yè)化生產；(3)所述KH-550硅烷偶聯(lián)劑改性納米二氧化硅的制備時間大大縮短；(2)提高了原料利用率，可以用較少的KH-550硅烷偶聯(lián)劑改性更多的納米二氧化硅。


圖1是KH-550硅烷偶聯(lián)劑改性納米二氧化硅的反應過程；
注y是-CH2CH2CH2NH2,是非水解基團。X是-OC2H5,是可水解基團；
圖2是未改性的納米二氧化硅粉末與本發(fā)明KH-550硅烷偶聯(lián)劑改性的納米二氧化硅粉末紅外譜對比圖；(a)未改性的納米二氧化硅粉末；(b)本發(fā)明KH-550硅烷偶聯(lián)劑改性的納米二氧化硅粉末；
圖3是未改性的納米二氧化硅粉末與本發(fā)明KH-550硅烷偶聯(lián)劑改性的納米二氧化硅粉末透射電鏡照片對比圖；(a)未改性的納米二氧化硅粉末；(b)本發(fā)明KH-550硅烷偶聯(lián)劑改性的納米二氧化硅粉末。
具體實施例方式下面結合具體方式對本發(fā)明進行進一步描述
實施例1:
本發(fā)明所提供的表面改性的納米二氧化硅，經下列步驟制得
A、將二氧化硅納米粉末加入到乙醇溶液中，配成質量濃度為3%的乙醇溶液，然后超聲振蕩使得二氧化硅納米粉末在乙醇溶液中混合均勻；
B、按二氧化硅質量的O.5%，取KH-550硅烷偶聯(lián)劑加入去離子水中，配成質量濃度為1%的水溶液，將PH值調至8，然后超聲振蕩IOmin使得KH-550硅烷偶聯(lián)劑在去離子水中預水解；
C、將B中得到的水溶液加入A中得到的溶液中，攪拌均勻后，在80°C下攪拌4h；
D、對C中得到的混合漿料按常規(guī)進行乙醇洗、水洗、抽濾、烘干、研磨后，即得到表面改性的納米二氧化硅產品。實施例2:
本發(fā)明所提供的表面改性的納米二氧化硅，經下列步驟制得
A、將二氧化硅納米粉末加入到乙醇溶液中，配成質量濃度為2%的乙醇溶液，然后超聲振蕩使得納米二氧化硅粉末在乙醇溶液中混合均勻；B、按二氧化硅質量的1%，取KH-550硅烷偶聯(lián)劑加入去離子水中，配成質量濃度為2%的水溶液，將PH值調至9，然后超聲振蕩8min使得KH-550硅烷偶聯(lián)劑在去離子水中預水解；
C、將B中得到的水溶液加入A中得到的溶液中，攪拌均勻后，在80°C下攪拌4h；
D、對C中得到的混合漿料按常規(guī)進行乙醇洗、水洗、抽濾、烘干、研磨后，即得到表面改性的納米二氧化硅產品。實施例3:
A、將二氧化硅納米粉末加入到乙醇溶液中，配成質量濃度為1%的乙醇溶液，然后超聲振蕩使得納米二氧化硅粉末在乙醇溶液中混合均勻；
B、按二氧化硅質量的2%，取KH-550硅烷偶聯(lián)劑加入去離子水中，配成質量濃度為3% 的水溶液，將PH值調至10，然后超聲振蕩6min使得KH-550硅烷偶聯(lián)劑在去離子水中預水解；
C、將B中得到的水溶液加入A中得到的溶液中，攪拌均勻后，在80°C下攪拌3h；
D、對C中得到的混合漿料按常規(guī)進行乙醇洗、水洗、抽濾、烘干、研磨后，即得到表面改性的納米二氧化硅產品。實施例4:
A、將二氧化硅納米粉末加入到乙醇溶液中，配成質量濃度為1%的乙醇溶液，然后超聲振蕩使得納米二氧化硅粉末在乙醇溶液中混合均勻；
B、按二氧化硅質量的3%，取KH-550硅烷偶聯(lián)劑加入去離子水中，配成質量濃度為4%的水溶液，將PH值調至11，然后超聲振蕩5min使得KH-550硅烷偶聯(lián)劑在去離子水中預水解；
C、將B中得到的水溶液加入A中得到的溶液中，攪拌均勻后，在80°C下攪拌2h；
D、對C中得到的混合漿料按常規(guī)進行乙醇洗、水洗、抽濾、烘干、研磨后，即得到表面改性的納米二氧化硅產品。對所制備的KH-550硅烷偶聯(lián)劑改性的納米二氧化硅粒子經傅立葉變換紅外光譜儀(FT-1R)、透射電子顯微鏡(TEM)觀察納米粒子表面的官能團吸收峰、及其在有機溶劑中的分散和形貌。(I)FT-1R 分析
傅立葉變換紅外光譜儀(FT-1R)測得KH-550硅烷偶聯(lián)劑改性的納米二氧化硅粉末紅外譜圖，分析其官能團的吸收峰，圖2分別為未改性的納米二氧化硅(a)和KH-550硅烷偶聯(lián)劑改性的納米二氧化娃(b)的紅外譜圖，(b)中2851. 15cm_1和2921. 66cm_1處可以看到明顯的亞甲基振動峰，說明KH-550硅烷偶聯(lián)劑已經鍵合到二氧化硅納米粒子表面。(2)TEM 觀察
將改性前后的二氧化硅納米粉末分散于無水乙醇中，用透射電子顯微鏡觀察納米粒子的形貌。圖3中(a)為未改性納米二氧化硅的TEM圖，(b)為KH-550硅烷偶聯(lián)劑改性納米二氧化硅的TEM圖，從圖中能夠明顯看出，改性后的二氧化硅納米粒子分散較好，無明顯聚集現(xiàn)象，說明改性后的納米二氧化硅粒子能夠較好的分散于有機溶劑中，有效降低了納米粒子間的軟團聚現(xiàn)象。
權利要求
1.一種二氧化硅納米粉末表面改性方法，其特征在于經過下列步驟制得 A、將二氧化硅納米粉末加入到無水乙醇中，配成質量濃度為1-3%的乙醇溶液，然后超聲振蕩使得二氧化硅納米粉末在乙醇溶液中混合均勻； B、按二氧化硅質量的O.5-3%，取KH-550硅烷偶聯(lián)劑加入去離子水中，配成質量濃度為1-5%的水溶液，將pH值調至8-11，然后超聲振蕩5-10min使得KH-550硅烷偶聯(lián)劑在去離子水中預水解； C、將B中得到的水溶液加入A中得到的溶液中，攪拌均勻后，在80°C下攪拌2-4h； D、對C中得到的混合漿料按常規(guī)進行乙醇洗、水洗、抽濾、烘干、研磨后，即得到表面改性的納米二氧化硅產品。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種納米二氧化硅的表面改性方法，主要是在二氧化硅納米粒子的表面引入官能團，從而改善二氧化硅納米粒子的分散性和抗老化性，屬于粉末材料加工技術領域。本專利直接對納米二氧化硅成品進行改性，實驗表明，在偏堿性條件下可以加速KH-550硅烷偶聯(lián)劑的水解，減少反應的時間，從而提高改性效果，改性后，KH-550硅烷偶聯(lián)劑牢固的鍵合在二氧化硅納米粉體表面，KH-550的加入能夠有效的改善納米二氧化硅填料在聚合物中的分散性和潤濕性，本專利提供了較適宜的pH值范圍和改性時間。
文檔編號C09C1/28GK103013182SQ20121051711
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月6日 優(yōu)先權日2012年12月6日
發(fā)明者宋仁國, 李鑫偉, 王超, 姜冬 申請人:常州大學