[发明专利]纳米二氧化硅生产工艺技术

说明书

技术领域

本发明涉及纳米二氧化硅领域，尤其涉及到一种纳米二氧化硅生产工艺技术。 

背景技术

目前纳米二氧化硅的制备方法主要分为物理法和化学法两种。物理法一般是指利用超级气流粉碎机或高能球磨机将二氧化硅块体通过多级粉碎，最后获得产品。此虽然工艺简单但易混入杂质。尤其粉体性能难以控制制粉效率低且粒径分布较宽。与物理法相比较，化学法便可制得纯净且粒径分布均匀的纳米颗粒，但成本较高，且有化学污染等。目前化学法包括化学气相沉积(CVD)法、离子交换法、沉淀法和溶胶凝胶(Sol-Gel)法等。 

(1)气相法 

气相法制得的纳米二氧化硅纯度高、分散度好、粒径小，但生产过程中能源消耗大、成本高。其生产工艺原理主要为有机卤硅烷、氧(或空气)和氢，在高温下反应制备纳米二氧化硅。以四氯化硅为例，其反应式为： 

SiCl₄+(n+2)H₂+(n/2+1)O₂→SiO₂·H₂O+4HCl 

干法中还有硅砂和焦碳的电弧加热法，有机硅化合物分解法等。主要流程是:将硅化合物在空气和氢气中均匀混合，于高温下水解，再通过旋风分离器，分离出大的凝集颗粒，最后脱酸制得气相二氧化硅，其反应式为：2H₂+O₂+硅化合物→SiO₂+4H⁺。 

(2)沉淀法 

沉淀法制备纳米二氧化硅的原材料广泛、价廉，但制得的纳米二氧化硅孔径分布宽，且孔径形状难以控制，所得产品主要在工业上用作橡胶的补强剂。 

目前，沉淀法制备纳米二氧化硅技术包括以下几类： 

①在有机溶剂中制备高分散性能的纳米二氧化硅； 

②酸化剂与硅酸盐水溶液反应，沉降物经分离、干燥制备纳米二氧化硅； 

③碱金属硅酸盐与无机酸混合形成纳米二氧化硅水溶胶转变为凝胶颗粒，经干燥、热水洗涤、再干燥，煅烧制得纳米二氧化硅； 

水玻璃的碳酸化制备纳米二氧化硅； 

通过喷雾造粒制备边缘平滑非球型纳米二氧化硅。 

通过使用沉淀法制备高性能纳米二氧化硅对硅橡胶补强，补强性能等价于气相纳米二氧化硅，该离子综合五里性能平衡，在低剪条件下与硅橡胶混合即可获得补强结构，通过确定合适配方、在一定硬度水平上使配合胶料获得最佳的力学性能。 

(3)溶胶-凝胶法 

溶胶—凝胶法是指采用化学活性高的硅化合物为原料，例如硅酸盐，硅酸酯，将其配成溶液，之后加入强酸，从而诱发硅酸根的聚合，并进行水解、缩合反应。溶胶在溶液中形成稳定的透明体系，经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，当网络间充满了失去流动性的溶剂，便形成凝胶。凝胶经过干燥，制备出纳米二氧化硅。该法原料与沉淀法类似，但不直接生成沉淀，而是形成凝胶，然后干燥脱水制备出产品。该法制备的产品性能与干法相似，但价格又比干法产品便宜，但其较沉淀法复杂，成本较高。利用溶胶一凝胶法制备凝胶的过程中，水解和缩聚反应是两个重要的物理化学反应，首先，Si(OR)4中的一OR基团逐级被-OH取代反应方程式为： 

Si(OR)₄+nH₂O→Si(OH)_n(OR)_4-n+nROH 

与此同时，两种聚合反应也几乎同时进行，脱水缩聚反应： 

-Si-OH+HO-Si-→-Si-O-Si-+H₂O 

脱醇缩聚反应： 

-Si-OH+RO-Si-→-Si-O-Si-+ROH 

(4)微乳液法 

微乳液法是通过两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得到纳米粒子。用该法制备纳米粒子的实验装置简单，能耗低，操作容易。其制备的纳米二氧化硅粒子粒径分布较窄，而且通过改变微乳液体系中不同参数可获得不同尺寸粒径纳米颗粒。 

随着国民经济的不断发展，国内对超微细白炭黑(纳米二氧化硅微粉及纳米二氧化硅复合吸附材料)的需求将会大幅度增长，市场潜力巨大。