制備微孔二氧化硅的工藝研究

李春山，張 憶，張周赫，朱曉輝

（北京航天賽德科技發(fā)展有限公司，北京 100097）

制備微孔二氧化硅的工藝研究

李春山，張 憶，張周赫，朱曉輝

（北京航天賽德科技發(fā)展有限公司，北京 100097）

以堿性硅溶膠為原料，加入一定量的硫酸鈉，反應(yīng)體系在適宜的溫度下反應(yīng)一定時間，經(jīng)過洗滌、干燥、研磨和篩分得到小孔二氧化硅粉體。該方法的最佳工藝條件∶反應(yīng)溫度在45℃，硫酸鈉的添加量為硅溶膠質(zhì)量的1%，反應(yīng)時間為1h。

堿性硅溶膠；硫酸鈉；微孔二氧化硅

1 引言

納米二氧化硅是一種無定型的白色粉末，是無毒、無味、無污染的非金屬固體材料，由于納米二氧化硅具有小尺寸效應(yīng)、表面界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和卓越的光、電、力、熱、磁、放射、吸收等性能，以及高強度、高韌性、極佳的穩(wěn)定性，使得納米二氧化硅在陶瓷、橡膠、塑料、涂料、顏料及催化劑載體等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1-2]，迄今為止，納米二氧化硅的生產(chǎn)方法主要可以分為干法和濕法兩種，干法有氣相法和電弧法，濕法包括溶膠-凝膠法、沉淀法、微乳液法、水熱合成法、碳化反應(yīng)法和超重力反應(yīng)法等[3-6]。

本文介紹了一種制備小孔納米二氧化硅的新方法，以堿性硅溶膠為原料，加入一定量的硫酸鈉，反應(yīng)體系在適宜的溫度下反應(yīng)一定時間，經(jīng)過洗滌、干燥、研磨和篩分制得小孔二氧化硅粉體。

2 實驗

2.1 實驗原料和儀器設(shè)備

實驗原料∶堿性硅溶膠，北京航天賽德科技發(fā)展有限公司；硫酸鈉，分析純試劑。

儀器設(shè)備∶三口燒瓶；JJ-1型增力電動攪拌器，常州翔天實驗儀器廠；101-1AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱，北京利康達圣科技發(fā)展有限公司。

2.2 實驗方法

將適量的堿性硅溶膠加入三口燒瓶中，在一定的攪拌速度下，加入一定量的硫酸鈉，加熱至一定溫度，恒溫反應(yīng)1h。最后將該凝膠洗滌、干燥，將得到的白色固體，并在高速粉碎機中研磨，過60目篩網(wǎng)后，對產(chǎn)品進行理化指標(biāo)的測定，并計算其產(chǎn)率。

2.3 實驗原理

硅溶膠就是納米級無定形二氧化硅分散在水中的膠體溶液，其膠粒三維結(jié)構(gòu)完全等同于納米二氧化硅結(jié)構(gòu)，若將硅溶膠中的水分去掉即可得到二氧化硅，但由于硅溶膠粒徑較小且含量普遍較低，直接干燥過程較慢而且膠粒合并易形成硬團聚，能耗過高，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。如使硅溶膠凝膠形成沉淀，去掉多余水分可節(jié)省生產(chǎn)時間和節(jié)約能耗、人工等生產(chǎn)成本。

硅溶膠的凝膠化過程，硅溶膠粒子表面存在兩種硅羥基結(jié)構(gòu)，即Si（OSi）2（OH）2和Si（OSi）3（OH）。這兩種硅羥基可以發(fā)生縮合反應(yīng)。硅羥基之間發(fā)生縮合反應(yīng)用化學(xué)方程式可以表示為∶

式中，R代表H或Si。

硅溶膠粒子表面的硅羥基發(fā)生縮合反應(yīng)，使硅溶膠粒子連接在一起，多個硅溶膠粒子相互連接，形成一些互相交錯的線狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，充滿和貫穿整個硅溶膠空間后便形成了硅凝膠[7]。而在硅溶膠中加入硫酸鈉可加速凝膠，因為鹽類放出離子，與硅溶膠的表面電荷結(jié)合以保持穩(wěn)定性，表面電荷的平衡加劇粒子的集合而凝膠。凝膠經(jīng)過洗滌、干燥便得到了二氧化硅粉體。

3 結(jié)果與討論

3.1 產(chǎn)品的理化指標(biāo)

產(chǎn)品的理化指標(biāo)見表1。

表1 產(chǎn)品的理化指標(biāo)

3.2 二氧化硅產(chǎn)率的影響因素

對二氧化硅的產(chǎn)率有影響的主要有反應(yīng)溫度、硫酸鈉的添加量、反應(yīng)時間。下面分別從這三個方面進行討論。

3.2.1 反應(yīng)溫度對二氧化硅產(chǎn)率的影響

反應(yīng)溫度對二氧化硅產(chǎn)率的影響見圖1。由圖1可見，二氧化硅的產(chǎn)率隨著反應(yīng)溫度的升高而增大，當(dāng)反應(yīng)溫度達到45℃左右時，產(chǎn)率最高可達95%左右；當(dāng)反應(yīng)溫度高于45℃時，二氧化硅的產(chǎn)率趨于穩(wěn)定略有下降。因而，最佳反應(yīng)溫度為45℃。

圖1 反應(yīng)溫度對二氧化硅產(chǎn)率的影響

3.2.2 硫酸鈉的添加量對二氧化硅產(chǎn)率的影響

硫酸鈉的添加量對二氧化硅產(chǎn)率的影響見圖2。圖2表明，二氧化硅的產(chǎn)率隨著硫酸鈉的添加量的增大而增大，當(dāng)添加量達到硅溶膠質(zhì)量的1%時，二氧化硅的產(chǎn)率最高，繼續(xù)添加硫酸鈉二氧化硅的產(chǎn)率基本保持不變。綜合考慮，硫酸鈉的添加量確定為硅溶膠質(zhì)量的1%。

圖2 硫酸鈉的添加量對二氧化硅產(chǎn)率的影響

3.2.3 反應(yīng)時間對二氧化硅產(chǎn)率的影響

反應(yīng)時間對二氧化硅產(chǎn)率的影響見圖3。由圖3可知，反應(yīng)時間越長二氧化硅的產(chǎn)率越高，當(dāng)反應(yīng)時間在30～45min時二氧化硅產(chǎn)率變化最大，45min后二氧化硅產(chǎn)率趨于平穩(wěn)，由此可見，45min后反應(yīng)趨近于完全，反應(yīng)1h可以近似的認為反應(yīng)已達到平衡狀態(tài)，因此反應(yīng)時間取1h即可。

4 結(jié)論

以堿性硅溶膠為原料制備二氧化硅的最佳工藝條件為∶在反應(yīng)溫度為45℃時，添加硅溶膠質(zhì)量1%的硫酸鈉，反應(yīng)1h，制得小孔二氧化硅且純度可達99%以上。

圖3 反應(yīng)時間對二氧化硅產(chǎn)率的影響

[1] 張密林，丁立國，景曉燕.納米二氧化硅的制備、改性與應(yīng)用[J].化學(xué)工程師，2003，99（6）∶11-131.

[2] 錢軍民，李旭祥，黃海燕.納米材料的性質(zhì)及其制備方法[J].化工新型材料，2001，29（7）∶1-5.

[3] 王子忱，王莉瑋，趙敬哲.沉淀法合成高比表面積超細SiO2[J].無機材料學(xué)報，1997，12∶3-391.

[4] 鄭典模，蘇學(xué)軍.化學(xué)沉淀法制備納米 SiO2的研究[J].南昌大學(xué)學(xué)報（工科版），2003，28（2）∶39-41.

[5] 陳建峰，鄒海魁，劉潤靜，等.超重力反應(yīng)沉淀法合成納米材料及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代化工，2001，21（9）∶9-12.

[6] 李曦，劉連利，王莉麗，石文鳳凝膠網(wǎng)格沉淀法制備納米二氧化硅[J].硅酸鹽通報，2007，26（3）∶64-66.

[7] 楊麗靜，田輝平，龍軍，等.堿性硅溶膠穩(wěn)定性的研究[J].石油煉制與化工，2010，41（6）∶12-16.

Study on Preparation of Micro-Porous Silicon Dioxide

Li Chun-shan，Zhang Yi，Zhang Zhou-he，Zhu Xiao-hui

In this study，basic silica sol was used as raw material.The reaction system was added with a certain amount of sodium sulfate.The reaction system was reacted at the appropriate temperature for a certain time，washed，dried，ground and sieved to obtain silica powder.The optimum reaction conditions were as follows∶the reaction temperature was 45℃，the adding amount of sodium sulfate was 1% of the mass of silica sol，and the reaction time was 1 hour.

alkaline silica sol；sodium sulfate；micro-porous silicon dioxide

TQ127.2

B

1003-6490（2017）02-0068-02

2016-02-10

李春山（1991—），女，黑龍江哈爾濱人，助理工程師，主要從事無機粉體技術(shù)開發(fā)與研究。

收稿日期：2017-02-08

作者簡介： 王偉（1984—），男，甘肅酒泉人，助理工程師，主要研究方向為化工工藝。