納米二氧化硅粉體的制備課程設計

1、 納米SiO2粉體的制備課程設計 學 院：化生材學院 專 業(yè)：材 料 化 學 班 級： 10205601 姓 名：何 祥 濤 學 號：1020560126 指導老師：辛 建 華納米SiO2粉體的制備 摘要3關鍵詞3引言3一、納米SiO2粉體的制備41.化學沉淀法42.氣相法53.溶膠-凝膠法64.微乳液法65.超重力法76.氣相法87.機械粉碎法88.其他方法9小結(jié)9二、實驗設計101.方法選擇：新型制備方法102.實驗條件10(1)配制15.00%NaCl溶液10(2)配制8.00%H2SO4 溶液10(3)配制NaCl+Na2SiO3溶液10(4)制備試驗11（5）對應試驗113.測定物化

2、數(shù)據(jù)111).孔容積的測定122).堆積密度的測定123).比表面積測定134).FTIR分析155).XRD分析156).TEM分析157).SEM分析158).粒度分度儀分析154.試驗結(jié)果與討論15參考文獻15納米SiO2粉體的制備摘要： 納米二氧化硅在各行業(yè)中有著廣泛的應用，是重要的無機粉體材料。到目前為止，納米SiO2粉體的制備方法主要可分為干法和濕法兩種，干法包括氣相法和電弧法，濕法有沉淀法，溶膠-凝膠法、微乳液法、超重力反應法、和水熱合成法等。另本文概述幾種相關粉體制備工藝及其研究進展。并對納米二氧化硅粉體的制備的方法提出一點相關展望。并從這些方法中挑一個結(jié)合課程內(nèi)容及相關資料，

3、設計一個納米二氧化硅粉體的制備方法。關鍵詞：納米二氧化硅，制備，方法，進展，展望引言納米SiO2為無定型白色粉末，是一種無毒、無味、無污染的無機非金屬材料，其顆粒尺寸小，粒徑通常為20200nm，化學純度高，分散性好，比表面積大，耐磨、耐腐蝕，是納米材料中的重要一員。由于納米SiO2表面存在不飽和的雙鍵以及不同鍵合狀態(tài)的羥基，具有常規(guī)粉末材料所不具備的特殊性能，如小尺寸效應、表面界面效應、量子隧道效應、宏觀量子隧道效應和特殊光電性等特點1，因而表現(xiàn)出特殊的力學、光學、電學、磁學、熱學和化學特性，加上近年來隨著納米SiO2制備技術的發(fā)展及改性研究的深入, 納米SiO2在橡膠、塑料、涂料、功能材料

4、、通訊、電子、生物學以及醫(yī)學等諸多領域得到了廣泛的應用。一、納米SiO2粉體的制備經(jīng)過收集資料,查閱一些教科書籍和文獻,發(fā)現(xiàn)二氧化硅有各種形形色色不同的制備方法, 主要包括化學沉淀法、氣相法、溶膠-凝膠法、微乳液法、超重力法、機械粉碎法等等?，F(xiàn)在一個個簡單介紹如下:1.化學沉淀法化學沉淀法是目前生產(chǎn)納米二氧化硅最主要的方法。這種方法的基本原理是利用金屬鹽或堿的溶解度, 調(diào)節(jié)溶液酸度、溫度、溶劑, 使其產(chǎn)生沉淀, 然后對沉淀物進行洗滌、干燥、熱處理制成超細粉體2。可以采用硅酸鈉和氯化銨為原料, 以乙醇水溶液為溶劑, 采用化學沉淀法制備得到納米SiO2 3。將去離子水與無水乙醇以一定濃度混合盛于三

5、口瓶中, 加入一定質(zhì)量的硅酸鈉和少量分散劑, 置于恒溫水浴中, 凋節(jié)至40±1, 攪拌狀態(tài)下加入氯化銨溶液, 即出現(xiàn)乳白色沉淀, 洗滌, 抽濾, 100烘干,置于馬弗爐450 焙燒1h, 得到白色輕質(zhì)的SiO2 粉末。所得SiO2 顆粒為無定形結(jié)構(gòu), 近似球形, 粒徑3050nm, 部分顆粒間通過聚集相互聯(lián)結(jié), 表面有蜂窩狀微孔。以水玻璃(模數(shù)為3.3)和鹽酸為原料4,在超級恒溫水浴中控制在4050 左右進行沉淀反應, 控制終點pH 值56, 得到的沉淀物采用離心法洗滌去掉Cl-, 然后在110下干燥12 h, 再于500進行焙燒即可得到產(chǎn)品。制得SiO2 粒徑在5060nm, 比表

6、面積大, 分散性好?；瘜W沉淀法具有原料來源廣泛、價廉, 能耗小, 工藝簡單, 易于工業(yè)化等優(yōu)點, 但同時也存在產(chǎn)品粒徑大或分布范圍較寬的問題。2.氣相法激光激活化學氣相沉積（LICVD）5是制備納米SiO2的有效方法之一。該方法比較容易制備出晶態(tài)和非晶態(tài)納米粒子，具有清潔、無壁效應、粒度分布均勻，無黏結(jié)、產(chǎn)量高、可連續(xù)生產(chǎn)及應用廣泛等優(yōu)點。為了獲得高純超細SiO2粉末，工藝中利用SiCl4氣相原料反應物激活后發(fā)生反應，基本化學反應方程式為：SiCl4O2 SiO2Cl2 為充分利用SiCl4 ，O2 與SiCl4一般混合比至少為4:1，在溫度為11201200，氧氣流量為0.51.0 L/mi

7、n，激光功率為300350W時，15min便可生成SiO2納米粉末。氣相法原料昂貴,設備要求高, 生產(chǎn)流程長, 能耗大。3.溶膠-凝膠法溶膠-凝膠工藝是60年代發(fā)展起來的一種材料制備方法。它的基本過程是: 一些易水解的金屬化合物(無機鹽或金屬醇鹽) 在某種溶劑中與水發(fā)生反應, 經(jīng)過水解與縮聚而逐漸凝膠化, 再經(jīng)過干燥等后處理工序, 就可制得所需的粉體材料。將正硅酸四乙酯、乙醇、去離子水6按體積比1:2:2配制成溶液, 將溶液升溫至70攪拌1.5h，再在溶液中加入適量的催化劑, 繼續(xù)攪拌1h 后形成乳白色凝膠, pH 控制在56, 反應完成后，陳化，干燥，研磨得凝膠粉, 經(jīng)馬弗爐在600高溫焙燒

8、12h 后, 得到SiO2 粉體。樣品經(jīng)檢測粒徑在814nm, 分散均勻, 外周呈圓形。溶膠-凝膠法原料昂貴, 制備時間長。4.微乳液法微乳液是指由油、水、乳化劑與助表面活性劑(如醇)等4個組分以適當比例混合自發(fā)形成的透明或半透明多相各相同性熱力學穩(wěn)定系統(tǒng), 具有粒子細小、大小均一、粒徑分布窄、穩(wěn)定性高及其微異相本質(zhì)可被用于在分子水平上控制合成粒子的性質(zhì),可達到合成粒度均勻性好的納米粒子的目的, 已成功用于合成諸如金屬納米粒子、金屬鹵化物、碳酸鹽、氧化物等納米粒子及有機聚合物納米粒子材料7。以Triton X-100/正辛醇/環(huán)己烷/水(或氨水)形成微乳液8, 以正硅酸乙酯為原料, 經(jīng)水解反應

9、制備得到SiO2納米粒子。工藝過程為: 先配制一定質(zhì)量比的Triton X-100和正辛醇混合液, 再加入一定量環(huán)己烷, 超聲波振蕩均勻, 成渾濁乳狀液,然后滴加水, 至系統(tǒng)突然變得透明, 即得所需W/O型微乳液。在此微乳液中滴加正硅酸乙酯, 其分子擴散透過反膠束界面膜向膠束中水核內(nèi)滲透, 繼而發(fā)生水解縮合反應, 之后反應混合物以體積比為75的丙酮水溶液絮凝, 乙醇洗滌, 100真空干燥2h，650煅燒2h，得純白色SiO2 粉體, 樣品經(jīng)檢測為無定型SiO2 ,粒徑4050nm。微乳法制備納米粒子粒徑調(diào)控方便,所得粒子分散性好,故微乳法在制備超細微粒方面有著廣闊的前景。但微乳液法成本高、有機

10、物難以去除，易對環(huán)境造成污染。5.超重力法超重力法是指在超重力反應器中制備納米粒子的一種方法。超重力反應器（旋轉(zhuǎn)填充床) 是一種利用比地球重力場大數(shù)百倍至千倍的超重力環(huán)境, 通過產(chǎn)生巨大的剪切力, 使微觀混合和傳質(zhì)過程得到極大強化、使過飽和度分布均勻, 從而快速、高質(zhì)量制備納米級粉體材料的新型反應器9。將一定濃度的水玻璃溶液靜置過濾后置于超重力反應器中, 升溫至反應溫度, 加人絮凝劑和表面活性劑, 開啟旋轉(zhuǎn)填充床和液料循環(huán)泵不斷攪拌和循環(huán)回流, 溫度穩(wěn)定后, 通人CO2氣體進行反應,同時定時取樣測定物料的pH值, 當pH值穩(wěn)定后停止進氣。加酸調(diào)節(jié)料液的pH值, 并保溫陳化, 最后經(jīng)過洗滌、抽濾

11、、干燥、研磨、過篩等操作, 制得粒度為30nm的二氧化硅粉體。用超重力法制備的納米二氧化硅粒子大小均勻，平均粒徑小于30nm。在超重力環(huán)境中, 傳質(zhì)過程和微觀混合過程得到了極大的強化，大大縮短了反應時間10。6.氣相法激光激活化學氣相沉積（LICVD）5是制備納米SiO2的有效方法之一。該方法比較容易制備出晶態(tài)和非晶態(tài)納米粒子，具有清潔、無壁效應、粒度分布均勻，無黏結(jié)、產(chǎn)量高、可連續(xù)生產(chǎn)及應用廣泛等優(yōu)點。為了獲得高純超細SiO2粉末，工藝中利用SiCl4氣相原料反應物激活后發(fā)生反應，基本化學反應方程式為：SiCl4O2 SiO2Cl2 為充分利用SiCl4 ，O2 與SiCl4一般混合比至少為

12、4:1，在溫度為11201200，氧氣流量為0.51.0 L/min，激光功率為300350W時，15min便可生成SiO2納米粉末。氣相法原料昂貴,設備要求高, 生產(chǎn)流程長, 能耗大。7.機械粉碎法機械粉碎法是二氧化硅的一種物理制備方法。它的原理是通過超細粉碎機械產(chǎn)生的沖擊、剪切、摩擦等力的綜合作用對大顆粒二氧化硅進行超細粉碎，然后利用高效分組裝置分離不同粒徑的顆粒, 從而實現(xiàn)納米二氧化硅粉末粒度分布的均勻化與特定化。物理方法的生產(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)量大、生產(chǎn)過程易于控制, 但對原料要求較高, 且隨著粒度減小, 顆粒因表面能增大而團聚, 難以進一步縮小粉體顆粒粒徑11。為了解決這一矛盾, 可以融

13、合功率超聲和攪拌粉碎, 利用研磨介質(zhì)互相碰撞產(chǎn)生的擠壓、剪切、沖擊等作用力, 以及超聲空化作用產(chǎn)生的高能沖擊波和微射流的共同作用, 使一定濃度的原料在粉碎筒中被同步粉碎與分散。該方法綜合了功率超聲與機械攪拌粉碎的優(yōu)點, 使產(chǎn)品易于達到納米級且介觀分散均勻、分布窄12。8.其他方法隨著研究的深入開展, 為了降低成本, 制得粒徑小、粒度分布窄、形貌優(yōu)良的納米二氧化硅粉體, 許多學者開展了創(chuàng)新性的研究。還有固相反應法，利用蛇紋石制備二氧化硅等等，除此之外，還可以用同樣的方法而改用其他原料制備納米二氧化硅。納米二氧化硅的制備方法已經(jīng)發(fā)展得很完備了。小結(jié)作為一種高科技的納米材料，納米二氧化硅的制備方法已

14、經(jīng)多種多樣了，但是我們還是要思考一些問題。比如如何有效地控制制備出來的納米二氧化硅的粒徑和形貌；如何減少生產(chǎn)成本，以適應于大規(guī)模的生產(chǎn)等等。因此我覺得我們有必要更加了解一下二氧化硅各種制備方法，了解其中各個參量的改變對制備的納米二氧化硅的影響等等，以尋求更加經(jīng)濟有效的制備方法。我們也可以嘗試將這些制備方法中的兩種或多種方法綜合在一起使用，取其利而去其弊，以創(chuàng)造更加有效地方法。二、實驗設計1.方法選擇：新型制備方法 (1)試劑：硅酸鈉，濃硫酸，氯化鈉。 (2)儀器：磁力攪拌器、分析天平、燒杯、抽濾瓶、真空泵，干燥器、烘箱，傅立葉變換紅外光譜儀，X射線衍射儀，高分辨率透射電鏡，激光粒度分布儀，掃描

15、電鏡，紫外可見光吸收儀。2.實驗條件(1)配制15.00%NaCl溶液即用天平稱量150.00gNaCl固體,然后用蒸餾水沖稀至1L。用同樣的方法配制6.00%Na2SiO3溶液。(2)配制8.00%H2SO4 溶液。(3)配制NaCl+Na2SiO3溶液在快速攪拌下將120mL6.00%Na2SiO3溶液滴加到80mL15.00%NaCl溶液中。(4)制備試驗將NaCl與Na2SiO3的混合溶液放在磁力攪拌器上的燒杯中, 接通電源,打開開關, 使磁力棒在燒杯內(nèi)勻速的轉(zhuǎn)動, 當達到一定速度后,滴加8.00%H2SO4溶液,并用試紙測pH值, 當溶液pH達到9時,停止滴加硫酸溶液,攪拌10min

16、后再滴加硫酸至pH=6,攪拌10min,再滴加酸至pH= 3。此時停止加酸, 將溶液溫度升至70熟化1h。用事先準備好的過濾設備過濾、水洗至檢不出硫酸根離子;再用乙醇洗2 3次。80烘干。制備的樣品密封,待測物化數(shù)據(jù)。(5)對應試驗按照(4)做3.00%,6.00%,9.00%Na2SiO3和3.00%,6.00%,9.00%H2SO4的條件實驗九組。反應后熟化時間,水洗次數(shù),醇洗次數(shù)與(4)條件試驗一致。3.測定物化數(shù)據(jù)不同條件試驗和得到的試驗產(chǎn)物質(zhì)量如表表一 不同濃度試驗和得到的產(chǎn)物質(zhì)量編號Na2sio3濃度（）H2SO4濃度()產(chǎn)物質(zhì)量備注19.003.0029.006.0039.009

17、.0046.003.0056.006.0066.009.0073.003.0083.006.0093.009.001).孔容積的測定孔容積測定采用參考文獻12的方法,測定及計算結(jié)果列于表4。表4干燥器法測定多孔固體孔容積的計算結(jié)果編號瓶重瓶+樣重樣重瓶+樣品+乙醇乙醇PV1234567892).堆積密度的測定堆積密度的測定方法為:測定儀器為一個量筒,一個三角漏斗。首先稱出量筒的質(zhì)量,記下數(shù)據(jù)m1,然后緩緩將產(chǎn)品倒入三角漏斗,自由落到量筒中,稱其質(zhì)量,記下數(shù)據(jù)m2-m1,讀出產(chǎn)品在量筒中的體積數(shù)V,按下式計算:堆積密度=(m1-m2)/V(g/cm3)。堆積密度的測定結(jié)果見表2樣品編號樣品體積樣

18、品質(zhì)量堆積密度123 4567893).比表面積測定比表面積的測定采用干燥器乙醇法,使用的儀器裝置如圖1,有一個儲液瓶、一個用于吸附的真空干燥器(內(nèi)有一個放置混合液的燒杯)、兩個干燥塔和抽真空系統(tǒng)組成。裝有樣品的稱量瓶放在真空干燥器中多孔鋁篩板上。比表面積的測定數(shù)據(jù)如表3。圖1 干燥器乙醇法測定比表面積儀器裝置圖表3 比表面積的測定數(shù)據(jù)編號瓶重瓶+樣+乙醇樣品質(zhì)量吸收質(zhì)量比表面積1234567894).FTIR分析5).XRD分析6).TEM分析7).SEM分析8).粒度分度儀分析4.試驗結(jié)果與討論 以無機鹽-氯化鈉為反應介質(zhì),使用不同濃度的硅酸鈉和硫酸分別在pH= 9、pH=6和pH=3進行三步反應,生成水合二氧化硅,經(jīng)過濾、洗滌,干燥制得納米二氧化硅。制備的納米二氧化硅樣品進行了堆積密度、比表面積、孔容積和粒度以及XRD,FTI