一种完全分散二氧化硅非晶纳米颗粒的制备方法

本发明涉及无机氧化物纳米颗粒合成，具体地说是一种完全分散二氧化硅非晶纳米颗粒的制备方法。

背景技术：

1、二氧化硅非晶纳米颗粒比表面积大，表面存在大量不饱和键和羟基，因此表面活性高，被广泛用作催化剂载体、分离剂、吸附剂等。二氧化硅非晶纳米颗粒，因其小尺寸效应和宏观量子隧道效应，易与高分子化合物产生渗透作用，深入到高分子化合物的π键附近，与高分子化合物的电子云发生重叠，形成空间网状结构，大幅度改善高分子材料的强度、热稳定性、抗老化性、耐磨性和化学稳定性，因此亦被广泛应用于硅橡胶、密封胶及胶粘剂、不饱和聚醋和涂料等领域。二氧化硅非晶纳米颗粒也是制备二氧化硅纳米玻璃的原料，而纳米玻璃结构有望解决二氧化硅玻璃的脆性问题。因此，完全分散、纯度高、超细、尺寸分布窄、等轴的二氧化硅非晶纳米颗粒的制备具有重要的科学和技术意义。

2、常用的二氧化硅非晶纳米颗粒制备方法有气相法和液相法，液相法主要包括微乳液法、沉淀法和溶胶凝胶法。现有的制备二氧化硅纳米颗粒的方法，所制的二氧化硅纳米颗粒的颗粒尺寸均大于10 nm，无法制备尺寸小于10 nm的超细二氧化硅纳米颗粒。

3、气相法制备二氧化硅非晶纳米颗粒时，需消耗大量的氢气和氧气，存在安全隐患。其次，气相法制备二氧化硅的原料四氯化硅，其沸点60℃，在空气中极易水解生成盐酸酸雾，具有极强的腐蚀性和毒性，被列入《危险化学品名录（2012）》。

4、微乳液法制备的二氧化硅颗粒，其尺寸高度依赖于表面活性剂，后处理工序复杂；因所制颗粒的尺寸取决于微泡的尺寸，难以得到超细纳米颗粒。沉淀法制备的二氧化硅颗粒尺寸分布宽、纯度低（原料中钠离子难以去除），存在硬团聚，且制备方法的稳定性差。溶胶凝胶法制备二氧化硅纳米颗粒的问题，是水解缩聚速率难以精准控制，所制备的颗粒粗大、有硬团聚。

5、因此，亟待开发一种完全分散、纯度高、超细（小于10 nm）、尺寸分布窄、等轴的二氧化硅非晶纳米颗粒的制备方法。

技术实现思路

1、本发明提出一种完全分散二氧化硅非晶纳米颗粒的制备方法，该方法制备的二氧化硅非晶纳米颗粒具有完全分散、高纯、超细、等轴的特点。

2、本发明所述醇和去离子水混合组成溶剂，取碱性氨基酸或氨水和无机分散剂作为催化剂，充分溶解在溶剂中，得到均质溶液；将硅源滴加到均质溶液中，均质溶液形成乳液；乳液发生水解和聚合反应，反应完全后，过滤所制澄清乳液，所得滤液经洗涤和静置陈化，得到前驱体，最后将前驱体干燥、研磨和煅烧，得到二氧化硅纳米颗粒，二氧化硅纳米颗粒结构为非晶态，颗粒完全分散，无硬团聚，形状为等轴，颗粒细小，平均颗粒尺寸2.0-9.6nm，尺寸分布窄。

3、所述硅源为正硅酸四乙酯，加入到反应体系中的浓度为0.14-0.51 mol/l。

4、所述溶剂为醇、水混合溶剂，主要包括甲醇/水、乙醇/水、正丙醇/水、异丙醇/水，醇/水体积比为3:1-0:1。

5、所述碱性氨基酸主要包括精氨酸和赖氨酸。

6、所述碱性氨基酸加入到反应体系中的浓度为2.7-10.8 mmol/l；所述氨水加入到反应体系中的浓度为0.01-0.10 mol/l。

7、所述无机分散剂为六偏磷酸钠，加入到反应体系中的浓度为0.5-5 g/l。

8、所述煅烧温度为550-1000℃。

9、本发明所述一种完全分散二氧化硅非晶纳米颗粒的制备方法，实现步骤如下：

10、醇和去离子水混合组成溶剂，取2.7-10.8 mmol/l碱性氨基酸作为催化剂，充分溶解在溶剂中，得到均质溶液，将0.14-0.51 mol/l正硅酸四乙酯滴加到均质溶液中，均质溶液形成乳液，乳液发生水解和聚合反应，反应40 min后，乳液变澄清，继续在60℃下搅拌20h；

11、过滤澄清乳液，所得滤液经洗涤和静置陈化，得到二氧化硅凝胶；将二氧化硅凝胶干燥、研磨，得到二氧化硅干凝胶粉末，最后在600℃空气中煅烧4 h，得到二氧化硅纳米颗粒。

12、本发明所述一种完全分散二氧化硅非晶纳米颗粒的制备方法，实现步骤如下：

13、醇和去离子水混合组成溶剂，加入0.5-5 g/l无机分散剂六偏磷酸钠，室温下搅拌，混合均匀；将混合均匀的溶液在50℃水浴中恒温搅拌，先后缓慢滴加0.01-0.10 mol/l氨水和0.14-0.51 mol/l正硅酸四乙酯，滴加完毕后继续恒温搅拌；反应结束后，静置陈化，得到均匀透明溶胶；

14、将获得的溶胶分别用乙醇和去离子水离心洗涤，得到二氧化硅凝胶；将制得的二氧化硅凝胶干燥、研磨，得到二氧化硅干凝胶粉末，最后在600℃空气中煅烧4 h，得到二氧化硅纳米颗粒。

15、本发明所述一种完全分散二氧化硅非晶纳米颗粒的制备方法，其有益效果在于：工艺条件可控性强，重复性好；在科学研究中，为二氧化硅纳米颗粒的特性和二氧化硅纳米玻璃的研究奠定了基础；在应用中，在橡胶填料、催化剂载体、分离剂和吸附剂等方面具有广泛的应用。

技术特征：

1.一种完全分散二氧化硅非晶纳米颗粒的制备方法，其实现步骤如下：

2.如权利要求1所述一种完全分散二氧化硅非晶纳米颗粒的制备方法，其特征在于：所述硅源为正硅酸四乙酯，加入到反应体系中的浓度为0.14-0.51 mol/l。

3.如权利要求1所述一种完全分散二氧化硅非晶纳米颗粒的制备方法，其特征在于：所述溶剂为醇、水混合溶剂，主要包括甲醇/水、乙醇/水、正丙醇/水、异丙醇/水，醇/水体积比为3:1-0:1。

4.如权利要求1所述一种完全分散二氧化硅非晶纳米颗粒的制备方法，其特征在于：所述碱性氨基酸主要包括精氨酸和赖氨酸。

5.如权利要求1所述一种完全分散二氧化硅非晶纳米颗粒的制备方法，其特征在于：所述碱性氨基酸加入到反应体系中的浓度为2.7-10.8 mmol/l；所述氨水加入到反应体系中的浓度为0.01-0.10 mol/l。

6.如权利要求1所述一种完全分散二氧化硅非晶纳米颗粒的制备方法，其特征在于：所述无机分散剂为六偏磷酸钠，加入到反应体系中的浓度为0.5-5 g/l。

7.如权利要求1所述一种完全分散二氧化硅非晶纳米颗粒的制备方法，其特征在于：所述煅烧温度为550-1000℃。

技术总结
本发明公开了一种完全分散二氧化硅非晶纳米颗粒的制备方法。本发明运用溶胶凝胶法，以正硅酸四乙酯为硅源，以醇、水作为溶剂，在催化剂或无机分散剂的作用下，经水解缩聚反应制得凝胶，再将凝胶经过干燥、煅烧，得到完全分散二氧化硅非晶纳米颗粒；所述催化剂为碱性氨基酸或氨水和无机分散剂六偏磷酸钠。本发明具有所制二氧化硅非晶纳米颗粒完全分散无硬团聚、纯度高、超细、尺寸分布窄、制备方法简单和重复性好等优点，为超细二氧化硅非晶纳米颗粒的应用奠定了基础。

技术研发人员：李建功,杨德盛,蔡铁成,魏唯
受保护的技术使用者：兰州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14