一种利用水玻璃制备大比表面积纳米SiO2的方法技术

本发明专利技术属于纳米材料技术领域，具体为一种利用水玻璃制备大比表面积纳米SiO2的方法。本发明专利技术方法采用胶束法或混合胶束法，通过将水玻璃与表面活性剂混合均匀，在胶束围成的水池中，水玻璃SiO3

A method for preparing nano SiO2 with large specific surface area from water glass

The invention belongs to the field of nanometer material technology, in particular to a method for preparing large specific surface area nano SiO2 by using water glass. The micelle method or mixed micelle method is adopted to mix the water glass and the surfactant evenly in the pool surrounded by the micelle, and the water glass SiO3

【技术实现步骤摘要】
一种利用水玻璃制备大比表面积纳米SiO2的方法
本专利技术涉及化工
，特别是涉及一种利用水玻璃制备大比表面积纳米SiO2的方法。
技术介绍
SiO2俗称白炭黑，是一种非常重要的工业原料，它是一种白色粉状物，质轻而松散，不溶于水，溶于氢氧化钠及氢氟酸。其宏观结构类似于炭黑，粒子呈球状。单个粒子之间以面相接触，呈链状联结结构(二次结构)。联结结构以氢键相互作用，形成聚集体。原始粒子极微细，质轻，在空气中吸收水分后成为聚集的细颗粒。SiO2还具有很高的活性，因此表现出许多特性，诸如光学屏蔽、非线性电阻等，从而具有广泛的应用。随着科技的发展，对SiO2的性能及纯度有了更高的要求。纳米SiO2是极其重要的高科技超微细无机新材料之一，它不但在电子工业，航空航天技术及新型催化剂载体等高科技领域获得应用，而且在高档透明牙膏、高级橡胶、合成树脂、塑料、油墨及高档涂料等行业中也有广泛的应用价值。目前，制备纳米SiO2的原料主要是采用正硅酸乙酯(TEOS)，3‐氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)、正硅酸甲酯(TMOS)等有机硅作为硅源，而应用无机硅源制备纳米SiO2的报道很少。采用有机硅源虽然能够制得分散性良好的纳米SiO2，但是价格昂贵，条件要求高，不适应于大量生产。另外，关于分解硅源所用的沉淀剂，文献报道较多的是无机强酸如盐酸、硫酸等，虽然价格便宜，但将无机酸加入水玻璃中，由于酸性过强，在水溶液中不容易被控制，导致溶液中局部的酸度过高，极易产生团聚，给搅拌带来困难，而且所制备的SiO2不易抽滤，颗粒大小均匀性较差。超细SiO2还具有以下的特性：颗粒粒径小，比表面积大，表面吸附力强，在SiO2中由于表现硅醇基和活性硅烷键能形成强弱不等的氢键结合，而具有吸湿性、消光性、绝热、绝缘性等特殊性能，因此在作为新型催化剂载体、选择性吸附剂、航空用的绝缘材料等高科技领域中获得广泛应用，其特殊的结构层次，赋予了既有别于体相材料又不同于单个分子的特殊性质，在光、电、催化等方面具有非常重要的应用前景，越来越受到人们的广泛关注。由于纳米SiO2粉体材料具有极大的应用价值，因此研究和探索制备超细SiO2材料的方法就显得尤为重要。目前制备纳米SiO2的方法主要有沉淀法、气相法、溶胶‐凝胶法和微乳液法等。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种利用水玻璃制备大比表面积纳米SiO2的方法。本专利技术采用胶束法或混合胶束法制备纳米SiO2，其方法简单，得到的纳米二氧化硅的BET比表面积都大于国家标准。特别是采用胶束法时，其BET比表面积基本都在480m2/g以上，甚至达到590m2/g。本专利技术的技术方案具体介绍如下。一种利用水玻璃制备大比表面积纳米SiO2的方法，其以水玻璃为硅源，以乙酸乙酯为分解硅源的沉淀剂，通过胶束法或混合胶束法制备大比表面积纳米SiO2；其中：胶束法时采用CTAB为表面活性剂；混合胶束法时采用CTAB和PEG‐4000形成的复配表面活性剂。本专利技术中，硅源为水玻璃，其模数在2.4～3.8之间。本专利技术中，制备大比表面积纳米SiO2的方法的具体步骤如下：先将水玻璃溶液和表面活性剂CTAB或CTAB和PEG‐4000形成的复配表面活性剂在水和丙三醇组成的混合溶剂中搅拌混合，然后加入沉淀剂乙酸乙酯，充分搅拌陈化，陈化结束后用含有CTAB的温水洗涤，再用醇类化合物进行溶剂替换并陈化，最后干燥，将干燥后样品放入马弗炉中焙烧，焙烧结束后自然冷却到室温，即得大比表面积纳米SiO2。本专利技术中，水玻璃溶液中的SiO2的质量浓度为12～16mol/L；混合溶剂中水和丙三醇的体积比为4:1～2:1。本专利技术中，水玻璃中SiO2和CTAB的摩尔比为15：1～30:1，水玻璃中SiO2和乙酸乙酯的摩尔比为9:10～12:5，水玻璃和水的体积比为2:1～1:8。本专利技术中，混合胶束法时，CTAB和PEG‐4000的质量比为1:1～1:10，优选的质量比为1：5～1:10；SiO2质量和CTAB和PEG‐4000的质量和的比为9：20～27:20；水玻璃中SiO2和乙酸乙酯的摩尔比为9:10～21:10，水玻璃和水的体积比为1:1～3:2。本专利技术中，加入沉淀剂乙酸乙酯后，陈化温度为20～50℃，陈化反应20～30h；溶剂替换后，陈化温度为20～40℃，陈化时间为4～8h；干燥温度为60～80℃，干燥时间为4～7h；焙烧温度为550～600℃，焙烧时间4～7h。本专利技术中，胶束法得到的纳米SiO2的粒径在10～50nm之间，BET比表面积在480～590m2/g之间；混合胶束法得到的纳米SiO2的粒径在100～300nm之间，BET比表面积在235～445m2/g之间。和现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：1、本专利技术采用的是胶束法和混合胶束法，其是基于表面活性剂的胶束对化学沉淀法进行改进和创新的一种新方法。在溶液中，当表面活性剂的浓度超过一定数值时，就会从单个分子或离子聚合成胶体状态聚集物，即胶束。这一浓度称作表面活性剂的临界胶束浓度，用CMC来表示。当表面活性剂的浓度大于CMC时，由于疏水效应和静电效应，胶束的表面会吸附溶液中的反离子。当沉淀剂加入至反应溶液时，胶束周围大量的高浓度的离子为晶核的形成提供瞬间的过饱和度，沉淀晶核会大量生成，但是由于溶液的总体浓度较低，使得晶核不能长的很大。另一方面，当胶束在水溶液里吸附一定量离子后，颗粒被胶束包裹，形成了一个保护层，阻碍了颗粒之间的重新聚集，使得颗粒大小分布均匀，从而制得了细小均匀的纳米颗粒。而且这种方法工艺简单，操作方便，原料易得，成本低廉，适合工业化生产。2、本专利技术采用的是无机硅源，大大节省了成本，制备出的纳米SiO2分散性良好，颗粒粒径分布均匀。比表面积大，采用胶束法时，其BET比表面积基本都在480m2/g以上，甚至达到590m2/g。3、本专利技术采用了CTAB胶束法和CTAB/PEG‐4000混合胶束法，并以乙酸乙酯作为潜伏酸试剂，利用其在CTAB胶束(或CTAB/PEG‐4000混合胶束)与助表面活性剂丙三醇形成的“水池”中间水解，产生H+，可使“水池”中反应体系的pH值均匀地降低，而水玻璃中硅酸阴离子在“水池”中与H+发生凝胶反应，生成纳米SiO2。这样避免了直接加入酸时而造成局部酸度过高、碱度降低过快的现象。与直接向体系中加入无机强酸相比，胶束能够为纳米SiO2形成提供均一的微环境，乙酸乙酯潜伏酸能够提供更为缓和的反应条件。只有两者相结合，才能制备出分散性优良的大比表面积纳米SiO2。4、本专利技术方法制备的纳米二氧化硅分散性良好，粒径分布均匀，化学稳定性高，纯度、收率高，收率都在80％以上；可以广泛运用于机械、塑料、涂料等领域，且具有价格便宜，适合工业化生产等优点。附图说明图1：胶束法合成纳米SiO2工艺流程图。图2：混合胶束法合成纳米SiO2工艺流程图。图3：基于胶束法纳米SiO2形成机理图。图4：基于混合胶束法纳米SiO2形成机理图。图5：(a)为实施例1条件下纳米SiO2的TEM图；(b)为实施例2条件下纳米SiO2的TEM图；(c)为实施例3条件下纳米SiO2的TEM图。图6：实施例1条件下纳米SiO2的粒度分析图。图7：实施例2条件下纳米SiO2的粒度分析图。图8：实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用水玻璃制备大比表面积纳米SiO2的方法，其特征在于，其以水玻璃为硅源，以乙酸乙酯为分解硅源的沉淀剂，通过胶束法或混合胶束法制备大比表面积纳米SiO2；其中：胶束法时采用CTAB为表面活性剂；混合胶束法时采用CTAB和PEG‑4000形成的复配表面活性剂。

【技术特征摘要】
1.一种利用水玻璃制备大比表面积纳米SiO2的方法，其特征在于，其以水玻璃为硅源，以乙酸乙酯为分解硅源的沉淀剂，通过胶束法或混合胶束法制备大比表面积纳米SiO2；其中：胶束法时采用CTAB为表面活性剂；混合胶束法时采用CTAB和PEG-4000形成的复配表面活性剂。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，硅源为水玻璃，其模数在2.4～3.8之间。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，具体步骤如下：先将水玻璃溶液和表面活性剂CTAB或CTAB和PEG-4000形成的复配表面活性剂在水和丙三醇组成的混合溶剂中搅拌混合，然后加入沉淀剂乙酸乙酯，充分搅拌陈化，陈化结束后用含有CTAB的温水洗涤，再用醇类化合物进行溶剂替换并陈化，最后干燥，将干燥后样品放入马弗炉中焙烧，焙烧结束后自然冷却到室温，即得大比表面积纳米SiO2。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，水玻璃溶液中的SiO2的浓度为12～16wt％；混合溶剂中水和丙三醇的体积比为4:1～2:1。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，胶束法时，水玻璃中SiO2和CTAB的摩尔比为15：1～30:1，水...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨宇翔，康诗钊，黄艳，秦利霞，李向清，王磊，
申请(专利权)人：上海应用技术大学，华东理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31