一种制备纳米二氧化硅的方法.pdf

本发明提供了一种制备纳米二氧化硅的方法，该方法将氨气通过微孔滤膜或微孔筛板后，从垂直方向分散到流动的氟硅酸铵水溶液中，使氨气与氟硅酸铵水溶液错流流动；氨气被错流流动的氟硅酸铵水溶液剪切成微小气泡，该氨气微小气泡与氟硅酸铵水溶液混合反应，制得纳米二氧化硅。本发明利用液相错流剪切的微孔分散方法制备纳米二氧化硅颗粒，其生产成本低、操作简便、过程可控；并且制备出的纳米二氧化硅颗粒粒径小、比表面积大且分布均匀。

权利要求书
1.  一种制备纳米二氧化硅的方法，其特征在于，将氨气通过微孔滤膜或微孔筛板后，从垂直方向分散到流动的氟硅酸铵水溶液中，使氨气与氟硅酸铵水溶液错流流动；氨气被错流流动的氟硅酸铵水溶液剪切成微小气泡，该氨气微小气泡与氟硅酸铵水溶液混合反应，制得纳米二氧化硅。

2.  根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述微孔滤膜或微孔筛板上的微孔当量直径为0.2～1000微米。

3.  根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，氨气流速为30～120m/s，氟硅酸铵水溶液的流速为0.4～10m/s。

4.  根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氟硅酸铵水溶液的浓度为2wt％～5wt％。

5.  根据权利要求1-4任意一项所述的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)配制浓度为2wt％～5wt％的氟硅酸铵水溶液，并使其按流速0.4～10m/s流动；
2)将氨气以30～120m/s的流速穿过微孔滤膜或微孔筛板，从垂直方向加入到上述氟硅酸铵水溶液中，使氨气与氟硅酸铵错流流动；
3)氨气被错流流动的氟硅酸铵水溶液剪切分割成微小气泡，该氨气微小气泡与氟硅酸铵水溶液混合反应，生成二氧化硅沉淀，沉淀随氟硅酸铵水溶液流出，然后经过滤、水洗除杂、干燥、粉碎，得到纳米二氧化硅。

说明书一种制备纳米二氧化硅的方法
技术领域
本发明涉及一种纳米二氧化硅的制备方法，具体地说，涉及一种利用液相错流剪切的微孔分散法制备纳米二氧化硅的方法。
背景技术
纳米二氧化硅具有体积效应和量子隧道效应等特殊性能，广泛应用于硅橡胶、涂料、造纸、食品、化妆品、医药等领域。目前常用的纳米二氧化硅制备方法主要有以下两类：(1)气相法：四氯化硅在氢氧焰中水解制备纳米二氧化硅。(2)液相法：分为直接沉淀法及水解法两种，前者以水玻璃、以及盐酸或其他酸化剂为原料，直接沉淀反应制备纳米二氧化硅；后者以无机盐或金属醇盐为初始原料，利用原料的水解反应制备纳米二氧化硅。
但是，上述方法都存在着各自的缺点，气相法及水解法能制备出粒度小、比表面积大的纳米二氧化硅颗粒，但其反应复杂、产量小、成本高；直接沉淀法虽然成本较低，但其制备所得颗粒的粒度偏大、比表面积小、单分散性不佳。直接沉淀法产生上述缺点的原因在于各物料的微观混合差，直接沉淀时反应无法在体系内均匀进行，此外反应放热导致温度分布不均匀，颗粒生长难以控制等也是重要原因之一。
为了解决上述问题，本发明人在直接沉淀法的基础上，利用流体剪切的微孔分散方法制备纳米二氧化硅。利用流体剪切的微孔分散有利于均相和非均相体系的充分混合，能够提高体系传热传质效率，有助于解决快速反应或部分可逆反应过程中因传递限制引起的可控性差的问题，为直接沉淀法在制备粒度小、比表面积大、单分散性较好的纳米二氧化硅方面取得突破创造了条件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备纳米二氧化硅的方法，该方法操作简便、成本低、过程可控，能制备出粒径小、比表面积大且分散均匀的纳米二氧化硅颗粒。
为了实现本发明的目的，本发明的制备纳米二氧化硅的方法，将氨气通过微孔滤膜或微孔筛板后，从垂直方向分散到流动的氟硅酸铵水溶液中，使氨气与氟硅酸铵水溶液错流流动；氨气被错流流动的氟硅酸铵水溶液剪切成微小气泡，该氨气微小气泡与氟硅酸铵水溶液混合反应，制得纳米二氧化硅。所述氨气微小气泡的直径在0.2～600μm，气泡直径大小可以通过微孔滤膜或微孔筛板上的微孔当量直径及氨气流速进行控制，进而控制最终生成的纳米二氧化硅的粒径大小。
其中，所述微孔滤膜或微孔筛板上的微孔当量直径为0.2～1000μm。
氨气的流速为30～120m/s，氟硅酸铵水溶液的流速为0.4～10m/s。氟硅酸铵水溶液的浓度为2wt％～5wt％。
具体地说，本发明的制备纳米二氧化硅的方法，包括如下步骤：
1)配制浓度为2wt％～5wt％的氟硅酸铵水溶液，并使其按流速0.4～10m/s流动；
2)将氨气以30～120m/s的流速穿过微孔滤膜或微孔筛板，从垂直方向加入到上述流动的氟硅酸铵水溶液中，使氨气与氟硅酸铵错流流动；
3)氨气被错流流动的氟硅酸铵水溶液剪切分割成微小气泡，该氨气微小气泡与氟硅酸铵水溶液混合反应，生成二氧化硅沉淀，沉淀随氟硅酸铵水溶液流出，然后经过滤、水洗除杂、干燥、粉碎(按工业标准粉碎，即45μm筛余物含量≤0.5％)，得到纳米二氧化硅。
本发明方法通过控制氨气、氟硅酸铵水溶液的流速及氟硅酸铵水溶液的浓度，使氨气与氟硅酸铵的物质的量之比控制在2～10∶1(氨气过量)，即保持氨气始终处于一定的过饱和状态。
本发明方法以氨气和氟硅酸铵水溶液为原料制备二氧化硅，所选体系发生的是正向放热的可逆反应，反应速度快，其传递过程为制备过程中的控制步骤。对于该气液反应体系，利用液相错流剪切的微孔分散可以将气相均匀分割成微小气泡，加快了传递的进行，提高了混合后反应体系的均匀性；并且，气液两相的定向流动提高了体系的传热效率，从而提高了温度的可控性，避免了因反应放热导致温度不均造成颗粒不均等缺点。上述两方面原因保证了体系具有一定的过饱和度，并控制反应向正反应方向进行，从而能够可控制备粒径小且分布均匀的纳米二氧化硅颗粒。此外，本发明可以通过调节两相流体的流速简单方便地调控颗粒的尺寸，液相流速增大，颗粒粒径减小。
本发明的优点在于，本发明利用液相错流剪切的微孔分散方法制备纳米二氧化硅颗粒，其生产成本低、操作简便、过程可控；并且能制备出粒径小、比表面积大、分布均匀的纳米二氧化硅颗粒。
具体实施方式
以下通过具体实施例进一步说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1：
1)配制质量分数为3.5％氟硅酸铵水溶液，并使其以2m/s的流速流动；
2)在压力作用下，将氨气以120m/s的流速穿过当量直径5微米的微孔滤膜，从垂直方向加入到上述流动的氟硅酸铵水溶液中，使氨气与氟硅酸铵错流流动；
3)氨气被错流流动的氟硅酸铵水溶液剪切成微小气泡，该氨气微小气泡与氟硅酸铵水溶液充分混合，反应生成二氧化硅沉淀，沉淀随氟硅酸铵水溶液流出，经过滤、多次纯水洗涤除杂，再经干燥、粉碎，得到纳米二氧化硅颗粒，其平均粒径为20nm，比表面积为354.9m2/g。
实施例2：
1)配制质量分数为3.5％氟硅酸铵水溶液，并使其以0.4m/s的流速流动；
2)在压力作用下，将氨气以90m/s的流速穿过当量直径0.2微米的微孔滤膜，从垂直方向加入到上述流动的氟硅酸铵水溶液中，并被错流流动的氟硅酸铵水溶液剪切成微小气泡；
3)氨气被错流流动的氟硅酸铵水溶液剪切成微小气泡，该氨气微小气泡与氟硅酸铵水溶液充分混合，反应生成二氧化硅沉淀，沉淀随氟硅酸铵水溶液流出，经过滤、多次纯水洗涤除杂，再经干燥、粉碎，得到纳米二氧化硅颗粒，其平均粒径为60nm，比表面积为309.6m2/g。
实施例3：
1)配制质量分数为3.5％氟硅酸铵水溶液，以4m/s的流速流动；
2)在压力作用下，将氨气以120m/s的流速穿过当量直径1000微米的微孔筛板，从垂直方向加入到上述氟硅酸铵水溶液中，并被错流流动的氟硅酸铵水溶液剪切成微小气泡；
3)氨气被错流流动的氟硅酸铵水溶液剪切成微小气泡，该氨气微小气泡与氟硅酸铵水溶液充分混合，反应生成二氧化硅沉淀，沉淀随氟硅酸铵水溶液流出，经过滤、多次纯水洗涤除杂，再经干燥、粉碎，得到纳米二氧化硅颗粒，其平均粒径为77nm，比表面积为283.2m2/g。
对比例1：
1)配制质量分数为3.5％氟硅酸铵水溶液；
2)将氨气以800mL/min的流速通入上述氟硅酸铵水溶液中，并在烧杯中通过快速搅拌，使两者混合反应，生成二氧化硅沉淀；
3)沉淀经过滤、多次纯水洗涤除杂，再经干燥、粉碎，得到纳米二氧化硅颗粒，其平均粒径为151nm、且粒径分布宽，比表面积为214.2m2/g。
与实施例1相比可以看出，本发明方法制备出的纳米颗粒粒度较小、比表面积大且单分散性好。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，所属领域的普通技术人员可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。