專(zhuān)利名稱(chēng)：基于氣相－溶膠凝膠法由粉煤灰制備納米白炭黑的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備納米白炭黑的方法，特指以粉煤灰、氟化鈉、濃硫酸為主要原料，添加表面活性劑、通過(guò)氣相-溶膠凝膠法制取納米白炭黑的方法。
背景技術(shù)：
白炭黑是白色粉末狀無(wú)定形硅酸和硅酸鹽產(chǎn)品的總稱(chēng)，主要是指沉淀二氧化硅、氣相二氧化硅、超細(xì)二氧化硅凝膠和氣凝膠，也包括粉末狀合成硅酸鋁和硅酸鈣等。白炭黑具有許多獨(dú)特性能，如耐高溫、耐酸堿、不燃、無(wú)味、無(wú)嗅、具有很好的電絕緣性和高分散性。從而得到了廣泛應(yīng)用，例如用作補(bǔ)強(qiáng)劑、混煉劑、觸變劑、防沉劑、消泡劑等。合成納米白炭黑的方法有多種，例如氣相法、沉淀法、離解法、溶膠-凝膠法。其中氣相法所用原材料貴，設(shè)備要求高，技術(shù)復(fù)雜，生產(chǎn)成本高。沉淀法對(duì)原料要求高，且產(chǎn)品的純度不高，性能較差，生產(chǎn)操作復(fù)雜，難于控制。溶膠-凝膠法是一種制備超細(xì)粉體的重要而有效的方法，它采用液體化學(xué)試劑或粉狀試劑溶于溶劑或溶膠為原料，在溶液中發(fā)生反應(yīng)，可以使反應(yīng)物在原子-分子水平上形成前驅(qū)體而混合均勻，從而制得高純度、超細(xì)、粒徑分布窄的粉體。不同的合成過(guò)程制備出的納米白炭黑的物理化學(xué)性質(zhì)也不同。
各種類(lèi)型的表面活性劑廣泛應(yīng)用于制備超細(xì)微晶，控制微晶的形貌和性質(zhì)。目前有用表面活性劑為修飾劑來(lái)制備超細(xì)多孔納米二氧化硅的文獻(xiàn)。例如許瑩等用沉淀法制備納米白炭黑工藝參數(shù)的控制。經(jīng)檢索，目前無(wú)以表面活性劑為修飾劑由粉煤灰為原料采用氣相-溶膠凝膠法來(lái)制備納米的白炭黑報(bào)道和專(zhuān)利文獻(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出了一種制備納米白炭黑的方法，特指以粉煤灰、氟化鈉、濃硫酸為主要原料，用表面活性劑進(jìn)行修飾下，通過(guò)氣相溶膠凝膠法制取納米白炭黑，以克服上述缺陷。
其制備方法如下1、首先，用研缽研磨粉煤灰試樣，浸泡到4mol/L的硝酸中，電動(dòng)攪拌機(jī)連續(xù)攪拌2個(gè)小時(shí)以后，抽濾、洗滌、真空干燥箱中干燥8個(gè)小時(shí)，馬氟爐中800℃高溫灼燒4小時(shí)，除去炭等殘留的可燃物質(zhì)。灼燒完的粉煤灰繼續(xù)放入4mol/L的硝酸溶液中，電動(dòng)攪拌機(jī)攪拌1個(gè)小時(shí)，除去鐵、鋁等雜質(zhì)，通過(guò)洗滌、抽濾、真空干燥得到二氧化硅。
2、將3～13g氟化鈉與5～50g二氧化硅裝入四口燒瓶，100～180℃油浴加熱，滴加濃硫酸，濃硫酸滴加速度控制在10-50滴/min，產(chǎn)生的氣體通入濃硫酸中干燥，干燥后氣體進(jìn)入裝有提純制得的干燥二氧化硅和變色硅膠的洗氣瓶，無(wú)水HF和洗氣瓶中的二氧化硅發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生SiF4氣體和水，氣體再通入裝有濃度為1.5g/L～5.5g/L的十二烷基硫酸鈉(SDS)溶液或濃度為0.25g/L～0.35g/L十六烷基三甲基溴化銨溶液(CTAB)或濃度為0.244g/L曲拉通X-100(TX-100)溶液水解，溶液pH值保持在1.85～11.55，生成溶膠，停止通氣，將溶膠置于燒杯中，密封，25～80℃水浴槽膠凝。用蒸餾水洗滌凝膠至濾液的電導(dǎo)率小于50μs/cm以內(nèi)，30～100℃烘箱烘干，350～500℃馬氟爐進(jìn)行灼燒，得到納米白炭黑。
用此方法制備的納米白炭黑，其粒徑在20nm左右、比表面積58～631m2/g左右、純度高、沒(méi)有明顯的團(tuán)聚、具有良好分散性的活性粉體，外觀白色半透明。本方法具有成本低、反應(yīng)條件溫和、反應(yīng)易于控制、工藝和流程簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。


圖1十二烷基硫酸鈉(SDS)4.5g/L、pH值為4，膠凝水浴溫度40℃的樣品，500℃灼燒的透射電鏡產(chǎn)品的TEM照片圖2加入十二烷基硫酸鈉(SDS)5.5g/L，pH值為6.3，膠凝水浴溫度60℃的樣品，350℃灼燒產(chǎn)品的TEM照片圖3加入十二烷基硫酸鈉(SDS)2.5g/L，pH值為1.85，膠凝水浴溫度25℃的樣品，450℃灼燒產(chǎn)品的TEM照片圖4加入十二烷基硫酸鈉(SDS)1.5g/L，pH值為2.0，膠凝水浴溫度40℃的樣品，500℃灼燒產(chǎn)品的TEM照片圖5不加任何表面活性劑，pH值為7，膠凝溫度為80℃，500℃灼燒產(chǎn)品的TEM照片圖6加入十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)0.342g/L、pH值為11.55，膠凝水浴溫度40℃的樣品，500℃灼燒產(chǎn)品的TEM照片圖7加入十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)0.255g/L、pH值為11.55，膠凝水浴溫度40℃的樣品，500℃灼燒產(chǎn)品的TEM照片圖8加入曲拉通X-100(TX-100)作0.224g/L、pH值為4.2，膠凝水浴溫度40℃的樣品，500℃灼燒產(chǎn)品的TEM照片具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
實(shí)例1如圖1，用研缽研磨粉煤灰試樣，浸泡到4mol/L的硝酸中，電動(dòng)攪拌機(jī)連續(xù)攪拌2個(gè)小時(shí)以后，抽濾、洗滌、真空干燥箱中干燥8個(gè)小時(shí)，馬氟爐中800℃高溫灼燒4小時(shí)，除去炭等殘留的可燃物質(zhì)。灼燒完的粉煤灰繼續(xù)放入4mol/L的硝酸溶液中，電動(dòng)攪拌機(jī)攪拌1個(gè)小時(shí)，除去鐵、鋁等雜質(zhì)，通過(guò)洗滌、抽濾、真空干燥得到二氧化硅。將3g氟化鈉與5g二氧化硅裝入四口燒瓶，滴加濃硫酸，濃硫酸滴加速度控制在40滴/min，產(chǎn)生的氣體通入濃硫酸中干燥，把油浴溫度控制在140℃，氣體再通入裝有4.5g/L的十二烷基硫酸鈉(SDS)溶液水解，溶液pH值保持在4，生成溶膠，停止通氣，將溶膠置于燒杯中，密封，40℃水浴槽膠凝。用蒸餾水洗滌凝膠至濾液的電導(dǎo)率小于50μs/cm以內(nèi)，60℃烘箱烘干，500℃馬氟爐進(jìn)行灼燒，得到納米白炭黑。其比表面為404.47/m2g-1。
實(shí)例2如圖2，如實(shí)例1同法得到實(shí)驗(yàn)需要的二氧化硅。將5g氟化鈉與15g二氧化硅裝入四口燒瓶，滴加濃硫酸，濃硫酸滴加速度控制在30滴/min，產(chǎn)生的氣體通入濃硫酸中干燥，把油浴溫度控制在100℃，氣體再通入裝有5.5g/L的十二烷基硫酸鈉溶液水解，溶液pH值保持在6.3，生成溶膠，停止通氣，將溶膠置于燒杯中，密封，60℃水浴槽膠凝。用蒸餾水洗滌凝膠至濾液的電導(dǎo)率小于50μs/cm以內(nèi)，80℃烘箱烘干，350℃馬氟爐進(jìn)行灼燒，得到納米白炭黑。其比表面為151.27/m2g-1。
實(shí)例3如圖3，如實(shí)例1同法得到實(shí)驗(yàn)需要的二氧化硅。將8g氟化鈉與25g二氧化硅裝入四口燒瓶，滴加濃硫酸，濃硫酸滴加速度控制在10滴/min，產(chǎn)生的氣體通入濃硫酸中干燥，把油浴溫度控制在180℃，氣體再通入裝有2.5g/L的十二烷基硫酸鈉溶液水解，溶液pH值保持在1.85，生成溶膠，停止通氣，將溶膠置于燒杯中，密封，25℃水浴槽膠凝。用蒸餾水洗滌凝膠至濾液的電導(dǎo)率小于50μs/cm以內(nèi)，100℃烘箱烘干，450℃馬氟爐進(jìn)行灼燒，得到納米白炭黑。其比表面為631.78/m2g-1。
實(shí)例4如圖4，如實(shí)例1同法得到實(shí)驗(yàn)需要的二氧化硅。將10g氟化鈉與35g二氧化硅裝入四口燒瓶，滴加濃硫酸，濃硫酸滴加速度控制在50滴/min，產(chǎn)生的氣體通入濃硫酸中干燥，把油浴溫度控制在160℃，氣體再通入裝有1.5g/L的十二烷基硫酸鈉溶液水解，溶液pH值保持在2.0，生成溶膠，停止通氣，將溶膠置于燒杯中，密封，40℃水浴槽膠凝。用蒸餾水洗滌凝膠至濾液的電導(dǎo)率小于50μs/cm以內(nèi)，80℃烘箱烘干，500℃馬氟爐進(jìn)行灼燒，得到納米白炭黑。其比表面為485.56/m2g-1。
實(shí)例5(對(duì)比例)如圖5，如實(shí)例1同法得到實(shí)驗(yàn)需要的二氧化硅。將13g氟化鈉與50g二氧化硅裝入四口燒瓶，滴加濃硫酸，濃硫酸滴加速度控制在40滴/min，產(chǎn)生的氣體通入濃硫酸中干燥，把油浴溫度控制在140℃，氣體再通入末加任何表面活性劑的水溶液水解，溶液pH值保持在7.0，生成溶膠，停止通氣，將溶膠置于燒杯中，密封，80℃水浴槽膠凝。用蒸餾水洗滌凝膠至濾液的電導(dǎo)率小于50μs/cm以內(nèi)，80℃烘箱烘干，500℃馬氟爐進(jìn)行灼燒，得到納米白炭黑。其比表面為58.51/m2g-1。
實(shí)例6如圖6，如實(shí)例1同法得到實(shí)驗(yàn)需要的二氧化硅。將10g氟化鈉與35g二氧化硅裝入四口燒瓶，滴加濃硫酸，濃硫酸滴加速度控制在40滴/min，產(chǎn)生的氣體通入濃硫酸中干燥，把油浴溫度控制在140℃，氣體再通入裝有0.342g/L的十六烷基三甲基溴化氨(CTAB)溶液水解，溶液pH值保持在11.55，生成溶膠，停止通氣，將溶膠置于燒杯中，密封，40℃水浴槽膠凝。用蒸餾水洗滌凝膠至濾液的電導(dǎo)率小于50μs/cm以內(nèi)，30℃烘箱烘干，500℃馬氟爐進(jìn)行灼燒，得到納米白炭黑。其比表面為150.51/m2g-1。
實(shí)例7如圖7，如實(shí)例1同法得到實(shí)驗(yàn)需要的二氧化硅。將10g氟化鈉與35g二氧化硅裝入四口燒瓶，滴加濃硫酸，濃硫酸滴加速度控制在40滴/min，產(chǎn)生的氣體通入濃硫酸中干燥，把油浴溫度控制在140℃，氣體再通入裝有0.255g/L的十六烷基三甲基溴化氨(CTAB)溶液水解，溶液pH值保持在11.55，生成溶膠，停止通氣，將溶膠置于燒杯中，密封，60℃水浴槽膠凝。用蒸餾水洗滌凝膠至濾液的電導(dǎo)率小于50μs/cm以內(nèi)，30℃烘箱烘干，500℃馬氟爐進(jìn)行灼燒，得到納米白炭黑。其比表面為94.51/m2g-1。
實(shí)例8如圖8，如實(shí)例1同法得到實(shí)驗(yàn)需要的二氧化硅。將10g氟化鈉與35g二氧化硅裝入四口燒瓶，滴加濃硫酸，濃硫酸滴加速度控制在40滴/min，產(chǎn)生的氣體通入濃硫酸中干燥，把油浴溫度控制在140℃，氣體再通入裝有0.224g/L的曲拉通X-100(TX-100)溶液水解，溶液pH值保持在4.2，生成溶膠，停止通氣，將溶膠置于燒杯中，密封，40℃水浴槽膠凝。用蒸餾水洗滌凝膠至濾液的電導(dǎo)率小于50μs/cm以內(nèi)，60℃烘箱烘干，500℃馬氟爐進(jìn)行灼燒，得到納米白炭黑。其比表面為176.38/m2g-1。
權(quán)利要求
1.基于氣相-溶膠凝膠法由粉煤灰制備納米白炭黑的方法，以粉煤灰、氟化鈉、濃硫酸為主要原料、通過(guò)氣相-溶膠凝膠法制取白炭黑，其特征在于以粉煤灰為原料、硝酸溶解，高溫灼燒，提取二氧化硅，進(jìn)一步以提取的二氧化硅和四氟化硅為原料，滴加濃硫酸進(jìn)行反應(yīng)產(chǎn)生SiF4氣體，氣體再通入裝有不同濃度的十二烷基硫酸鈉或十二烷基磺酸鈉或十六烷基三甲基溴化銨溶液水解生成溶膠、凝膠、高溫灼燒制得納米白炭黑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氣相-溶膠凝膠法由粉煤灰制備納米白炭黑的方法，其特征在于制備方法如下(1)首先，用研缽研磨粉煤灰試樣，浸泡到4mol/L的硝酸中，電動(dòng)攪拌機(jī)連續(xù)攪拌2個(gè)小時(shí)以后，抽慮、洗滌、真空干燥箱中干燥8個(gè)小時(shí)，馬氟爐中800℃高溫灼燒4小時(shí)，除去炭等殘留的可燃物質(zhì)；灼燒完的粉煤灰繼續(xù)放入4mol/L的硝酸溶液中，電動(dòng)攪拌機(jī)攪拌1個(gè)小時(shí)，除去鐵、鋁等雜質(zhì)，通過(guò)洗滌、抽慮、真空干燥得到實(shí)驗(yàn)需要的二氧化硅；(2)將3～13g氟化鈉與5～50g二氧化硅裝入四口燒瓶，100～180℃油浴加熱，滴加濃硫酸，濃硫酸滴加速度控制在10-50滴/min，產(chǎn)生的氣體通入濃硫酸中干燥，干燥后氣體進(jìn)入裝有提純制得的干燥二氧化硅和變色硅膠的洗氣瓶，無(wú)水HF和洗氣瓶中的二氧化硅發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生SiF4氣體和水，氣體再通入裝有濃度為1.5g/L～5.5g/L的十二烷基硫酸鈉SDS溶液或濃度為0.25g/L～0.35g/L十六烷基三甲基溴化銨溶液CTAB或濃度為0.244g/L曲拉通X-100(TX-100)溶液水解，溶液pH值保持在1.85～11.55，生成溶膠，停止通氣，將溶膠置于燒杯中，密封，25～80℃水浴槽膠凝；用蒸餾水洗滌沉淀至濾液的電導(dǎo)率小于50μs/cm以內(nèi)，30～100℃烘箱烘干，350～500℃馬氟爐進(jìn)行灼燒，得到納米白炭黑。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備納米白炭黑的方法，特指以粉煤灰、氟化鈉、濃硫酸為主要原料，用表面活性劑進(jìn)行修飾下，通過(guò)氣相－溶膠凝膠法制取納米白炭黑。其特征在于以粉煤灰為原料、硝酸溶解，高溫灼燒，提取二氧化硅，進(jìn)一步以提取的二氧化硅和四氟化硅為原料，滴加濃硫酸進(jìn)行反應(yīng)產(chǎn)生SiF
文檔編號(hào)C01B33/157GK1915811SQ20061008615
公開(kāi)日2007年2月21日 申請(qǐng)日期2006年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月4日
發(fā)明者倪良, 蔣銀花, 胡瑩海, 張莉, 王學(xué)寶 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)