專利名稱：一種自蔓延低溫燃燒制備超細(xì)硅微粉的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無機(jī)材料化學(xué)領(lǐng)域，涉及ー種硅微粉的制備方法。
背景技術(shù)：
娃微粉(ニ氧化娃微粉，Silica Fine Powder)是ー類用途極為廣泛的材料,被廣泛用于化工、電子、集成電路、太陽能電池、塑料、涂料、高級(jí)油漆、橡膠、國防等領(lǐng)域。它具有無毒、無味、無污染、耐高溫性能好、耐酸堿腐蝕、熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱系數(shù)小、高絕緣、硬度大、資源豐富等特點(diǎn)。目前，制備超細(xì)硅微粉的方法包括物理法和化學(xué)法。物理法主要是將石英粉利用不同加熱方式高溫熔融，再通過機(jī)械粉碎的方式獲得。該類方法エ藝設(shè)備復(fù)雜,生產(chǎn)成本 高，高溫的需求使其能耗較大，且天然石英粉中的放射性元素很難去除?；瘜W(xué)法中較為普遍的是溶膠-凝膠法。典型的方法如中國專利CN 1188075等，利用水玻璃和無機(jī)酸為原料，通過控制溶劑、乳化劑與水玻璃的比例、乳化時(shí)的轉(zhuǎn)速以及添加劑的用量等エ藝參數(shù)，從而制備出硅微粉。但該類方法エ藝復(fù)雜，參數(shù)較難控制，且使用了大量的表面活性劑和有機(jī)添加剤，對(duì)產(chǎn)品的后續(xù)處理以及環(huán)境的友好化不利；另ー種典型方法如中國專利CN101037206、CN 101570332等，將硅溶膠真空干燥或噴霧干燥，再利用等離子體火焰或氣體火焰進(jìn)行煅燒，通過研磨最終獲得硅微粉。此類方法不僅エ藝過程復(fù)雜，而且設(shè)備要求苛亥IJ，制備成本同樣很高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出ー種以熔融ニ氧化硅為原料制備超細(xì)硅微粉的方法。該方法無需復(fù)雜設(shè)備，エ藝條件簡單，易于操作控制，合成成本低，在規(guī)?；a(chǎn)中具有較明顯的優(yōu)勢。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。I)硅酸鈉的制備。將熔融硅微粉與碳酸鈉按摩爾比I :2. 5^3. 5的比例混合均勻，恒溫90(Ti00(rc下進(jìn)行熔融反應(yīng)，冷卻至室溫后得硅酸鈉固體，并研磨成粉。2)硅酸溶膠的制備。稱取步驟I)中所制備的硅酸鈉粉體置于容器中，加入少量水，充分?jǐn)嚢枋构杷徕c完全溶解，形成硅酸鈉溶液，其濃度為I. 5 2M。按HNO3與Na2SiO3的摩爾比為I. 5^10 1的量，向娃酸鈉溶液中緩慢滴加濃硝酸,并保持快速攪拌,制得娃酸溶膠。加入硝酸的作用包括兩個(gè)方面，一方面是將硅酸鈉酸化為硅酸溶膠，另ー方面是作為燃燒反應(yīng)的強(qiáng)氧化劑。3)混合燃燒液的制備。按三こ醇胺與硝酸的體積比為4 20 1的量，向步驟2)的硅酸溶膠中加入三こ醇胺，繼續(xù)攪拌至均勻狀態(tài)，制得混合燃燒液。三こ醇胺主要是作為低閃點(diǎn)的還原劑，與硝酸發(fā)生劇烈氧化還原反應(yīng)，從而達(dá)到自燃燒的目的。4)燃燒反應(yīng)。將裝步驟3)的混合燃燒液的容器置于干燥箱，進(jìn)行自蔓延燃燒，燃燒反應(yīng)結(jié)束后，立即關(guān)閉干燥箱。
5)退火除碳。將步驟4)中燃燒反應(yīng)后所得到的粉灰在60(T80(TC下進(jìn)行退火，得白色樣品。6)洗滌處理。將步驟5)中退火所得的樣品置于干凈的容器中，加入大量的熱水，充分?jǐn)嚢瑁ㄟ^抽濾、干燥制得硅微粉。以上述步驟所制備的產(chǎn)品經(jīng)X-射線衍射分析鑒定為無定形結(jié)構(gòu)ニ氧化硅純相，經(jīng)掃描電子顯微鏡分析所得硅微粉粒徑為IOOnm左右。本發(fā)明所涉及的技術(shù)方法具有以下明顯優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明雖然以熔融硅微粉為原料，但可以推廣至以天然粉石英為原料(其成分同為SiO2),因?yàn)檎嬲姆磻?yīng)初始物實(shí)際上是硅酸鈉；2.エ藝極其簡單，無特殊設(shè)備要求，操作方便，易于控制，生產(chǎn)成本低；3.生產(chǎn)過程中使用的材料僅包含極易溶于水的鈉離子和硝酸根離子，不會(huì)引入其他雜質(zhì)離子，有利于聞純娃微粉的制備。
具體實(shí)施方式
為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)ー步說明，但本發(fā)明的保護(hù)內(nèi)容并不局限于下列實(shí)施例。實(shí)施例I。本實(shí)施例是以エ業(yè)熔融硅微粉為原料，以硝酸為氧化劑，以三こ醇胺為還原劑，利用自蔓延低溫燃燒硅酸溶膠的方法制備超細(xì)硅微粉，具體エ藝過程如下。I)將角形熔融硅微粉與碳酸鈉按摩爾比1:3的比例混合均勻，在1000°C下熔融反應(yīng)半小時(shí)，冷卻至室溫后得到硅酸鈉固體，并研磨成粉。2)稱取2g硅酸鈉粉體，在250mL燒杯中攪拌溶解于IOmL水中，形成澄清的硅酸鈉溶液。在快速持續(xù)的攪拌下，緩慢滴加6 IOmL濃硝酸(65飛8%)，繼續(xù)攪拌半小時(shí)左右至反應(yīng)完全，得到粘稠的硅酸溶膠。3)向硅酸溶膠中加入40mL三こ醇胺，繼續(xù)攪拌約30分鐘至混合成均勻體系，得到較稀釋的混合燃燒液。4)將燃燒液置于恒溫干燥箱中，隨著溶液溫度的不斷升高，在250°C左右，由于硝酸和三こ醇胺之間發(fā)生劇烈的氧化還原反應(yīng)，釋放出大量的熱，引發(fā)三こ醇胺燃燒，并發(fā)生自蔓延反應(yīng)，瞬間的高溫使得硅酸迅速分解為ニ氧化硅，同時(shí)引起三こ醇胺的碳化，燒杯中充滿蓬松的灰黒色粉灰。因?yàn)槿紵磻?yīng)釋放大量熱量會(huì)使干燥箱箱體溫度迅速上升，因此，燃燒反應(yīng)結(jié)束后，立即關(guān)閉干燥箱。5)為了除去有機(jī)物碳化引起的碳雜質(zhì)，將燃燒后得到的粉灰放入坩堝，在馬弗爐中800°C退火6小時(shí)，得白色樣品。6)為了盡可能減少產(chǎn)物中鈉離子的含量，將退火后的樣品置于干凈的燒杯中，カロ入IOOmL 8(T90°C的熱水，充分?jǐn)嚢?，抽濾，重復(fù)洗滌數(shù)次后，60°C干燥4 5小時(shí)，制得高純超細(xì)硅微粉。實(shí)施例2。本實(shí)施例是以エ業(yè)熔融硅微粉為原料，以硝酸為氧化劑，以三こ醇胺為還原劑，利用自蔓延低溫燃燒硅酸溶膠的方法制備超細(xì)硅微粉。I)將熔融硅微粉與碳酸鈉按摩爾比1:3的比例混合均勻，在1000で下熔融反應(yīng)半小時(shí)，冷卻至室溫后得到硅酸鈉固體，并研磨成粉。2)稱取2g硅酸鈉粉體置于250mL燒杯中，充分?jǐn)嚢枞芙庥贗OmL水中，形成澄清的硅酸鈉溶液。在快速持續(xù)的攪拌下，緩慢滴加2 4mL濃硝酸(65飛8%)，繼續(xù)攪拌半小時(shí)左右至反應(yīng)完全，得到粘稠的硅酸溶膠。3)向硅酸溶膠中加入40mL三こ醇胺，繼續(xù)攪拌約30分鐘至混合成均勻體系，得到較稀釋的混合燃燒液。4)將配置好的燃燒液置于恒溫干燥箱中，隨著溶液溫度的不斷升高，在250°C左右，由于硝酸和三こ醇胺之間發(fā)生劇烈的氧化還原反應(yīng)，釋放出大量的熱，引發(fā)三こ醇胺燃燒，并發(fā)生自蔓延反應(yīng)。瞬間的高溫反應(yīng)使得硅酸迅速分解為ニ氧化硅，同時(shí)引起三こ醇胺的碳化。但因?yàn)榧尤胂跛岬牧枯^少，引發(fā)燃燒所需的時(shí)間相對(duì)加長，且燃燒不夠充分，在燒杯底部形成大量灰白色沉積物粉灰。由于燃燒反應(yīng)釋放大量熱量會(huì)使干燥箱箱體溫度迅速上升，因此，燃燒反應(yīng)結(jié)束后，立即關(guān)閉干燥箱。
5)為了除去有機(jī)物碳化引起的碳雜質(zhì)，將燃燒后得到的沉積物粉灰放入坩堝，在馬弗爐中800°C退火6小時(shí)，得白色樣品。6)為了盡可能減少產(chǎn)物中鈉離子的含量，將退火后的樣品置于干凈的燒杯中，カロ入IOOmL 8(T90°C的熱水，充分?jǐn)嚢?，抽濾，如此重復(fù)洗滌數(shù)次后，60°C干燥4飛小時(shí)，制得高純超細(xì)硅微粉。
權(quán)利要求
1.一種自蔓延低溫燃燒制備超細(xì)硅微粉的方法，其特征是按以下步驟 1)將熔融硅微粉與碳酸鈉按摩爾比I:2. 5^3. 5的比例混合均勻，恒溫90(Tl00(rC下進(jìn)行熔融反應(yīng)，冷卻至室溫后得硅酸鈉固體，并研磨成粉； 2)稱取步驟I)中所制備的硅酸鈉粉體置于容器中，加入少量水，充分?jǐn)嚢枋构杷徕c完全溶解，形成硅酸鈉溶液，其濃度為I. 5 2M ;按!1勵(lì)3與Na2SiO3的摩爾比為I. 5^10 1的量，向娃酸鈉溶液中緩慢滴加濃硝酸,并保持快速攪拌，制得娃酸溶膠； 3)按三乙醇胺與硝酸的體積比為Γ201的量，向步驟2)的硅酸溶膠中加入三乙醇胺，繼續(xù)攪拌至均勻狀態(tài)，制得混合燃燒液； 4)將裝步驟3)的混合燃燒液的容器置于干燥箱，進(jìn)行自蔓延燃燒，燃燒反應(yīng)結(jié)束后，立即關(guān)閉干燥箱； 5)將步驟4)中燃燒反應(yīng)后所得到的粉灰在60(T80(TC下進(jìn)行退火，得白色樣品； 6)將步驟5)中退火所得的樣品置于干凈的容器中，加入大量的熱水，充分?jǐn)嚢?，通過抽濾、干燥制得硅微粉。
全文摘要
一種自蔓延低溫燃燒制備超細(xì)硅微粉的方法，其特征是包括硅酸鈉的制備、硅酸溶膠的制備、混合燃燒液的制備、燃燒反應(yīng)、退火除碳、洗滌處理等步驟。本發(fā)明所涉及的技術(shù)方法具有以下明顯優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明雖然以熔融硅微粉為原料，也可以推廣至以天然粉石英為原料；2、工藝極其簡單，無特殊設(shè)備要求，操作方便，易于控制，生產(chǎn)成本低；3、生產(chǎn)過程中使用的材料僅包含極易溶于水的鈉離子和硝酸根離子，不會(huì)引入其他雜質(zhì)離子，有利于高純硅微粉的制備。
文檔編號(hào)C01B33/18GK102795632SQ20121010632
公開日2012年11月28日 申請日期2012年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月12日
發(fā)明者雷水金, 汪春英, 劉磊, 周浪 申請人:南昌大學(xué)