一种空心二氧化硅球的制备方法技术

一种空心二氧化硅球的制备方法，它是以正硅酸乙酯为合成二氧化硅原料，以乙炔为生成碳微球原料，以十六烷基三甲基溴化铵为碳微球表面改性剂，以氨水为酸碱度碱性调解剂，以无水乙醇为溶剂、洗涤剂，以去离子水为清洗剂、洗涤剂，以氩气为保护气体，先在管式高温炉中用乙炔、氩气制成碳微球，经研磨过筛后与十六烷基三甲基溴化铵、无水乙醇、去离子水混合，经超声分散后，滴加氨水、正硅酸乙酯，恒温搅拌，水冷凝回流冷却，静置，离心分离，洗涤，干燥，制成二氧化硅包覆碳微球，经５５０℃焙烧，制成空心二氧化硅球，此方法工艺流程短，产收率高，可达９４．５％，产物纯度好，可达９６．５％，填补了以碳微球为核、以二氧化硅为壳，制备空心二氧化硅球的科研空白。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属无机非金属复合材料制取方 法的

技术介绍
二氧化硅是一种性能优良、用途广泛的无机化合物，俗称白炭黑，是一种无 毒、无味、无污染的轻质非晶固体材料，具有比表面积大、密度小、分散性好等 优点，有优良的耐热性、耐磨性和可焊性，常用于橡胶、塑料、粘合剂、光纤材 料、涂料、催化剂、香料、消毒剂等，二氧化硅在水中的稳定性及透光性使其成 为一种优良的包覆材料。二氧化硅的微结构呈絮状和网状的准颗粒结构，为球形，随着技术的发展， 也出现了空心球形结构，空心结构的二氧化硅具有光、电、磁、催化等优点，使 其具有多功能化，核-壳结构材料一般为球状，当核被除去后可得到空心球壳结 构，中空球壳结构的材料具有低密度、高比表面积、高稳定性、高表面渗透性等 特点，其空心部分还可容纳大量的客体分子，其独特的优越性能，常被用作催化 剂载体、形状选择吸收剂，轻质填料、药物、颜料、化妆品等的可控运输和释放 体系。核-壳结构和空心球状材料的制备方法有多种，常用的如模板法，是在球状模 板核的外表面包覆一层目标材料层，然后通过热解法或化学溶解法除去模板，得 到空心球壳材料，常用的球状模板有聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等，碳微球的 特殊结构赋予了它优异的性能和广阔的应用空间，目前主要应用于锂离子电池、 活性炭、吸附材料、复合材料等，目前还没有用碳微球做核模板制备空心球的报 导。在空心球状材料的制备中，还存在很多不足，有的核载体材料较昂贵，有的 不易除去，有的工艺过程较复杂，有污染，还有待进一步研究和探讨。
技术实现思路
专利技术目的本专利技术的目的就是针对
技术介绍
的现状和不足，选用新的核-壳材料，用碳微 球做制备载体一核，用二氧化硅做包覆材料一壳，采用模板法，用乙炔做碳微球 核的提取材料，用正硅酸乙酯做碳微球包覆材料的前驱体，通过高温制核、焙烧 除核等工艺，制得空心二氧化硅球，使碳微球作核制备空心二氧化硅球成为可能。技术方案本专利技术使用的化学物质材料为正硅酸乙酯、无水乙醇、十六烷基三甲基溴 化铵、氨水、去离子水、乙炔、氩气，其组合配比如下以克、毫升、厘米3为 计量单位正硅酸乙酯Si(OC2H5)4 3ml士0.01ml 无水乙醇C2H5OH 300ml士5ml十六烷基三甲基溴化铵C16H33(CH3)3NBr 0.086g士0.001g 氨水NH3 1.4ml士0.01ml 去离子水H20 3000ml士50ml 乙炔C2H2 2000cm3±20cm3 氩气Ar 100000 cm3±100cm3制备方法如下(1) 精选化学物质原料 对制备所需的化学物质原料要进行精选，并进行纯度控制 正硅酸乙酯液态分析纯99.95%无水乙醇液态分析纯99.7% 十六垸基三甲基溴化铵固态分析纯99.0% 氨水液态分析纯99.99% 去离子水液态99.99% 乙炔气态99.99% 氩气气态99.99%(2) 制备碳微球① 在石英管式高温电阻炉中进行；高温电阻炉长度600mm、内径38mm、 220V、 2kW; 石英管长度1000mm、外径34mm、内径30mm② 清洗、清洁石英管 用吸尘器抽吸石英管内粉尘及有害物质；用去离子水2000ml灌洗、刷洗石英管内、外壁，使其洁净，并晾干；③ 将石英管置于高温电阻炉中间位置 安装石英管及两端密封圈、进口塞、出口塞、出气管； 在石英管的进口塞、密封圈左上部安装乙炔管及乙炔阀、乙炔瓶；在石英管的进口塞、密封圈左下部安装氩气管及氩气阀、氩气瓶；④ 常压下置换石英管内空气 石英管内气压为常压101.3kPa;开启氩气瓶，向石英管内输入氩气，输入速度100cm3/min，输入时间15min， 驱除石英管内有害气体，使之净化；⑤ 开启高温电阻炉，使其升温，升温速度10°C/min，至1000。C土5。C;⑥ 继续向石英管内输送氩气，输入速度400cm3/min，输入时间30min士lmin;⑦ 同时开启乙炔瓶，向石英管内输入乙炔气体，输入速度50cm3/min，输入 时间30min土lmin;⑧ 乙炔与氩气流量比为1:8;⑨ 乙炔气体在高温1000'C土5'C状态下，在氩气气氛保护下，进行热分解， 乙炔气体在石英管内，通过进气区段、高温反应区段、过渡区段、冷却区段，将 发生化学变化，由气态一固态，并在石英管内冷却区段冷却，其冷却沉积物为 碳微球；⑩ 冷却关闭乙炔气体； 关闭高温电阻炉，使其降温；继续输入氩气，输入速度100cm3/min，输入时间300min; 石英管内温度由1000°C ±5。C随炉冷却至2(TC ±3°C; 冷却后成碳微球粉体； (3)研磨、过筛对制备的碳微球粉体用玛瑙研钵、研棒进行研磨，用400目筛网过筛，研磨、 过筛反复进行，碳微球成细粉状，碳微球平均粒径为38um; (4)制备二氧化硅球① 制备混合液将碳微球0.5g土0.001g、无水乙醇40ml土0.1ml、去离子水8ml士0.1ml置于三口烧瓶中，将三口烧瓶置于超声分散仪的水浴槽内，三口烧瓶浸于水中，水温 为20。C士3。C;② 开启超声分散仪，超声频率40HZ、 IOOW，超声分散时间60min土lmin;③ 在超声分散状态下，向三口瓶内加入十六烷基三甲基溴化铵0.086g± O.OOlg，继续超声分散10min土lmin; 二氧化硅包覆碳微球将盛有碳微球+无水乙醇+去离子水+十六烷基三甲基溴化铵混合液的三口 烧瓶，置于恒温磁力搅拌器的水浴槽内，在三口烧瓶的左口插入温度计、右口插 入滴液漏斗、中间口插入水循环冷凝管，并接通水循环冷凝管的进、出水口；⑤ 开启恒温磁力搅拌器、开启水循环冷凝管，使水浴槽内的水温升至40°C±rc，并持续恒定；⑥ 在滴液漏斗中，用移液管量取1.4mol 'L"的氨水1.4ml滴加入三口烧瓶 内，滴加速度lml/min,同时磁力搅拌，使其混合均匀，时间10min土lmin，调 解混合液酸碱度pH值，pH=10.58，呈碱性；⑦ 滴加正硅酸乙酯、生成二氧化硅包覆壳将正硅酸乙酯3ml土0.01ml置于三口烧瓶的滴液漏斗中，并滴加，滴加速度 lml/min，同时磁力搅拌，时间3min土0.5min，混合后成碳微球+无水乙醇+去 离子水+十六垸基三甲基溴化铵+氨水+正硅酸乙酯混合液，在温度40。C土1'C水 浴状态下、在水循环冷凝状态下，磁力搅拌720min土10min，使正硅酸乙酯经历 水解-縮合过程，并包覆碳微球表面，生成二氧化硅包覆碳微球核-壳结构，其化 学反应式如下Si(OC2H5)4+4H20 720imn±10mia》Si(OH)4+4C2H5OH2Si(OH)4 "~^ 2Si02+4H20式中Si (OH) 4:硅醇 Si02: 二氧化硅OPT:氢氧根⑧ 静置混合液将盛有泡合液的三口烧瓶置于烧瓶架上，拔去水循环冷凝管，使混合液在洁净状态下静置，静置温度2(TC土3。C，静置时间260min土30min，以稳定二氧化 硅包覆碳微球核-壳结构；⑨ 离心分离二氧化硅包覆碳微球将静置后的混合液置于透明的离心管内，将离心管置于离心分离机上，开启 离心分离机，分离转数6000r/min，分离时间10 min土0.5min，离心管上部为液 体，底部为固体产物，即二氧化硅包覆碳微球；除去液体，留存固体产物；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空心二氧化硅球的制备方法，其特征在于：使用的化学物质材料为：正硅酸乙酯、无水乙醇、十六烷基三甲基溴化铵、氨水、去离子水、乙炔、氩气，其组合配比如下：以克、毫升、厘米↑［３］为计量单位　正硅酸乙酯：Ｓｉ（ＯＣ↓［２］Ｈ↓［５］）↓［４］３ｍｌ±０．０１ｍｌ　无水乙醇：Ｃ↓［２］Ｈ↓［５］ＯＨ３００ｍｌ±５ｍｌ　十六烷基三甲基溴化铵：Ｃ↓［１６］Ｈ↓［３３］（ＣＨ↓［３］）↓［３］ＮＢｒ　０．０８６ｇ±０．００１ｇ　氨水：ＮＨ↓［３］　１．４ｍｌ±０．０１ｍｌ　去离子水：Ｈ↓［２］Ｏ　３０００ｍｌ±５０ｍｌ　乙炔：Ｃ↓［２］Ｈ↓［２］　２０００ｃｍ↑［３］±２０ｃｍ↑［３］　氩气：Ａｒ　１０００００ｃｍ↑［３］±１００ｃｍ↑［３］　制备方法如下：（１）精选化学物质原料　对制备所需的化学物质原料要进行精选，并进行纯度控制：正硅酸乙酯：液态分析纯９９．９５％　无水乙醇：液态分析纯９９．７％　十六烷基三甲基溴化铵：固态分析纯９９．０％　氨水：液态分析纯９９．９９％　去离子水：液态９９．９９％　乙炔：气态９９．９９％　氩气：气态９９．９９％　（２）制备碳微球　①在石英管式高温电阻炉中进行；高温电阻炉：长度６００ｍｍ、内径３８ｍｍ、２２０Ｖ、２ｋＷ；石英管：长度１０００ｍｍ、外径３４ｍｍ、内径３０ｍｍ　②清洗、清洁石英管　用吸尘器抽吸石英管内粉尘及有害物质；用去离子水２０００ｍｌ灌洗、刷洗石英管内、外壁，使其洁净，并晾干；③将石英管置于高温电阻炉中间位置　安装石英管及两端密封圈、进口塞、出口塞、出气管；在石英管的进口塞、密封圈左上部安装乙炔管及乙炔阀、乙炔瓶；在石英管的进口塞、密封圈左下部安装氩气管及氩气阀、氩气瓶；④常压下置换石英管内空气　石英管内气压为常压１０１．３ｋＰａ；开启氩气瓶，向石英管内输入氩气，输入速度１００ｃｍ↑［３］／ｍｉｎ，输入时间１５ｍｉｎ，驱除石英管内有害气体，使之净化；⑤开启高温电阻炉，使其升温，升温速度１０℃／ｍｉｎ，至１０００℃±５℃；⑥继续向石英管内输送氩气，输入速度４００ｃｍ↑［３］／ｍｉｎ，输入时间３０ｍｉｎ±１ｍｉｎ；⑦同时开启乙炔瓶，向石英管内输入乙炔气体，输入速度５０ｃｍ↑［３］／ｍｉｎ，输入时间３０ｍｉｎ±１ｍｉｎ；⑧乙炔与氩气流量比为：１∶８；⑨乙炔气体在高温１０００℃±５℃状态下，在氩气气氛保护下，进行热分解，乙炔气体在石英管内，通过进气区段、高温反应区段、过渡区段、冷却区...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘旭光，郭兴梅，许并社，窦涛，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：14[中国|山西]