二氧化硅制備與表征

1、 小組成員與與分工：林俊（演講） 胡成浪（ppt制作） 馮家成（資料搜集）納米二氧化硅的制備與表征1研究課題：一一 : : 引言引言認(rèn)識二氧化硅認(rèn)識二氧化硅二：二： 納米二氧化硅的制備納米二氧化硅的制備1.1.制備納米二氧化硅實(shí)驗(yàn)原理制備納米二氧化硅實(shí)驗(yàn)原理2.2.具體實(shí)驗(yàn)方法和步驟具體實(shí)驗(yàn)方法和步驟3.3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和討論三：三： 納米二氧化硅應(yīng)用納米二氧化硅應(yīng)用四：四： 結(jié)語結(jié)語納米二氧化硅的制備與表征2 納米二氧化硅是指平均粒徑在 1 100nm 之 間的顆粒, 它是納米材料中的重要成員之一, 因?yàn)?其分散性好, 有巨大的比表面積, 光學(xué)性能和化學(xué) 穩(wěn)定性優(yōu)良,

2、使得與同組成的微米材料相比, 具有 許多奇異的性能, 為材料科學(xué)與凝聚態(tài)物理領(lǐng)域 中的研究熱點(diǎn), 并廣泛應(yīng)用于橡膠、工程塑料、涂 料、膠粘劑、封裝材料和化妝品等行業(yè)。納米二氧化硅的制備與表征3納米二氧化硅的制備與表征4目前, 制備納米二氧化硅最多的是采用： 氣相法 溶膠凝膠法因此：因此： 下下文文將將以堿性硅溶膠與無機(jī)酸為原料以堿性硅溶膠與無機(jī)酸為原料, , 加入分加入分 散劑阻止顆粒聚結(jié)散劑阻止顆粒聚結(jié), , 在水和甲醇介質(zhì)在水和甲醇介質(zhì)中詳細(xì)研究中詳細(xì)研究 了了沉淀法沉淀法的合成工藝條件的合成工藝條件, , 優(yōu)化優(yōu)化出了配方和工藝出了配方和工藝, , 制備出成本低廉、工藝簡制備出成本低廉、

3、工藝簡單、高比表積和純度高的單、高比表積和純度高的 納米級二氧化硅粉納米級二氧化硅粉體。體。納米二氧化硅的制備與表征5用沉淀法制備超細(xì)二氧化硅雖然原料價廉、工藝簡單、易于工業(yè)化, 具有很好的應(yīng)用前景, 但由于該法制備的納米二氧化硅的孔徑較小, 反 應(yīng)條件較難控制沒能得到推廣。試劑:堿性硅溶膠: =1.19、 pH=9.10、 SiO2 濃度為30%、粒度 5 10nm, 青島海洋化工集團(tuán); 分散劑六 偏磷酸鈉 ( NaAB) , 化學(xué)純試劑; 分散劑 C ( 高分子 聚合物的鈉鹽) 上海德謙化學(xué)有限公司工業(yè)品。儀器：JEM-2000EX 型電子顯微鏡, 日本電子公司 生產(chǎn);TRIHTAR-30

4、00 全自動表面孔隙度分析儀, 美國麥克公司;AVATAR 370DTGS 紅外光譜分析 儀, 美國熱電集團(tuán)尼高力公司;ZETASIZER 100HS 型激光粒度儀, 英國馬爾文儀器有限公司; 高速粉碎機(jī), 天津泰斯特實(shí)驗(yàn)儀器廠。納米二氧化硅的制備與表征6 制備方法 ：將堿性硅溶膠加入三口燒瓶中, 加入計(jì)量的 甲醇、去離子水和分散劑六偏磷酸鈉 ( NaAB) , 配 成一定濃度的溶液, 然后在一定的攪拌速度下, 慢 慢滴入適量的無機(jī)酸至所需要的酸度, 水浴加熱 至 50 54, 待體系的 pH 穩(wěn)定后, 再加入定量的 高分子分散劑 C, 在高速攪拌下繼續(xù)恒溫反應(yīng)一 定時間, 得到適宜粒徑的硅溶

5、膠, 最后將該硅溶膠 真空干燥 5h 以上, 將得到的白色固體在高速粉碎 機(jī)中研磨 1min, 經(jīng) 700 目篩網(wǎng)篩分后的產(chǎn)品進(jìn)行 性能測定, 并計(jì)算產(chǎn)率。納米二氧化硅的制備與表征7 （1 1）分散劑和溶液酸度對產(chǎn)物性能的影響分散劑 的種類、用量和溶液 pH 值對產(chǎn)品的影響見下表 納米二氧化硅的制備與表征8表表 1 1表明表明: : 僅加入一種分散劑六偏磷酸鈉僅加入一種分散劑六偏磷酸鈉, , SiO2 SiO2 粉體的粒徑較大粉體的粒徑較大, , 納米級二氧化硅生成納米級二氧化硅生成率低率低; ; 六偏磷酸鈉與分散劑六偏磷酸鈉與分散劑 C C 同時并用同時并用,SiO2 ,SiO2 粉體的粒粉

6、體的粒 徑變小徑變小,700 ,700 目篩網(wǎng)篩分率增加目篩網(wǎng)篩分率增加, , 顆顆粒尺寸大多數(shù)粒尺寸大多數(shù) 屬納米級屬納米級 ( ( 圖圖 1) 1) 納米二氧化硅的制備與表征9 六偏磷酸鈉包覆在納六偏磷酸鈉包覆在納 米二氧化硅顆粒表面米二氧化硅顆粒表面, , 使粒子間帶使粒子間帶有相同的電荷而排斥有相同的電荷而排斥, , 減少聚沉。但由于六偏磷酸鈉體積減少聚沉。但由于六偏磷酸鈉體積較小較小, , 僅用六偏磷酸鈉分散劑形成的雙電層難于有效阻僅用六偏磷酸鈉分散劑形成的雙電層難于有效阻 止止帶電粒子團(tuán)聚帶電粒子團(tuán)聚, , 而配合使用高分子鹽分散劑而配合使用高分子鹽分散劑 C, C, 對納米二對納

7、米二氧化硅顆粒包覆形成的空間位阻作用與氧化硅顆粒包覆形成的空間位阻作用與 具有雙電層結(jié)構(gòu)的具有雙電層結(jié)構(gòu)的六偏磷酸鈉協(xié)同作用六偏磷酸鈉協(xié)同作用, , 才能產(chǎn)才能產(chǎn) 生有效阻聚作用。高分子穩(wěn)生有效阻聚作用。高分子穩(wěn)定劑的穩(wěn)定機(jī)理主要定劑的穩(wěn)定機(jī)理主要 是其結(jié)構(gòu)中的高分子陰離子具有空間是其結(jié)構(gòu)中的高分子陰離子具有空間位阻斥力位阻斥力, ,且能形成一定厚度的雙電層。且能形成一定厚度的雙電層。 高分子鹽分散劑的粒子在相互接近時產(chǎn)生兩種情況吸附層高分子鹽分散劑的粒子在相互接近時產(chǎn)生兩種情況吸附層被壓縮而不發(fā)生相互滲透被壓縮而不發(fā)生相互滲透; ; 吸附層能發(fā)生相互滲透、互相吸附層能發(fā)生相互滲透、互相重疊。

8、這兩種情況都導(dǎo)致體系能量升高重疊。這兩種情況都導(dǎo)致體系能量升高, , 自由能增大。第自由能增大。第一種情況由于高分子失去結(jié)構(gòu)熵而產(chǎn)生熵斥力位能一種情況由于高分子失去結(jié)構(gòu)熵而產(chǎn)生熵斥力位能; ; 第二第二種情況由于重疊區(qū)域濃度升高產(chǎn)生滲透斥力和混合斥力位種情況由于重疊區(qū)域濃度升高產(chǎn)生滲透斥力和混合斥力位能能, , 因而導(dǎo)致吸附了高分子的原生粒子再發(fā)生團(tuán)聚的難度因而導(dǎo)致吸附了高分子的原生粒子再發(fā)生團(tuán)聚的難度, , 保持體系的保持體系的 穩(wěn)定。穩(wěn)定。納米二氧化硅的制備與表征10納米二氧化硅的制備與表征11 從從前面的前面的表表 1 1和圖和圖2 2 也可看出也可看出, , 溶液的溶液的 pH pH

9、值影響硅溶膠穩(wěn)定性值影響硅溶膠穩(wěn)定性, , 也是影響產(chǎn)品顆粒大小的重要因也是影響產(chǎn)品顆粒大小的重要因素。素。 在合適的分散劑存在條件在合適的分散劑存在條件下下, , 溶液的溶液的 pH=7.5 pH=7.5 8 8 才才 能能得到高產(chǎn)率且粒徑小于得到高產(chǎn)率且粒徑小于 40nm 40nm 二二氧化硅粉體。氧化硅粉體。 這個實(shí)驗(yàn)結(jié)果可這個實(shí)驗(yàn)結(jié)果可從圖從圖 2 2 加以說明加以說明99。pH=8pH=8 9 9 范圍范圍 為溶膠的穩(wěn)定區(qū)為溶膠的穩(wěn)定區(qū),pH= 5,pH= 5 7 7 為不穩(wěn)定區(qū)為不穩(wěn)定區(qū),pH,pH值值4 4以下為介穩(wěn)以下為介穩(wěn)區(qū)域區(qū)域, , 因此因此, , 我們選擇反應(yīng)時的我們選

10、擇反應(yīng)時的 pH= 7.5pH= 7.5 8 8納米二氧化硅的制備與表征12硅溶膠的濃度對二氧化硅的影響硅溶膠的濃度對二氧化硅的影響表表 2 2 表明表明, , 在其他條件不變的情況下在其他條件不變的情況下, , 硅溶硅溶膠的濃度較低時膠的濃度較低時 ( 20%) , ( 20%20%時易出現(xiàn)沉淀時易出現(xiàn)沉淀, , 濃度濃度30%30%時易出現(xiàn)凝膠。時易出現(xiàn)凝膠。根據(jù)雙電層理論根據(jù)雙電層理論, , 在靜電斥力作用下在靜電斥力作用下, , 一一個不完全均衡的電荷分布總是存在于粒子個不完全均衡的電荷分布總是存在于粒子表面表面, , 當(dāng)靜當(dāng)靜 電斥力大于范德華力時電斥力大于范德華力時, , 易形易形

11、成穩(wěn)定的分散體系。成穩(wěn)定的分散體系。 這種穩(wěn)定體系對于稀這種穩(wěn)定體系對于稀溶液和有極性的有機(jī)介質(zhì)是溶液和有極性的有機(jī)介質(zhì)是 有效的。但隨有效的。但隨著溶膠濃度的增大著溶膠濃度的增大, , 膠團(tuán)互相碰撞的膠團(tuán)互相碰撞的 次數(shù)次數(shù)增加增加, , 聚集成大顆粒的機(jī)會增多聚集成大顆粒的機(jī)會增多, , 溶膠的溶膠的穩(wěn)定穩(wěn)定 性降低性降低, , 因而加速了溶膠的聚沉。雖因而加速了溶膠的聚沉。雖然低濃度下合然低濃度下合 成的粒子粒徑小成的粒子粒徑小, , 單分散性單分散性能較好能較好, , 但反應(yīng)物濃度但反應(yīng)物濃度 過低將導(dǎo)致產(chǎn)率不過低將導(dǎo)致產(chǎn)率不高。為保證粒子性能又要兼顧高。為保證粒子性能又要兼顧 產(chǎn)率產(chǎn)

12、率, , 可選可選初始反應(yīng)物濃度為初始反應(yīng)物濃度為 10 10 20% 20%納米二氧化硅的制備與表征13理論解釋納米二氧化硅的制備與表征14反應(yīng)溫度對納米二氧化硅產(chǎn)率的影響反應(yīng)溫度對納米二氧化硅產(chǎn)率的影響圖 3 表明: 納米二氧化硅的產(chǎn)率受反應(yīng)溫度的影響, 反應(yīng)溫度為50時產(chǎn)率最高, 為97%左右。溫度還影響二氧化硅溶膠的電離平衡及溶解度, 同時還影響溶液中的過飽和度。納米二氧化硅的制備與表征15反應(yīng)時間對納米二氧化硅的影響反應(yīng)時間對納米二氧化硅的影響實(shí)驗(yàn)證明反應(yīng)時間為 40-45min 時得到的納 米二氧化硅的粒徑最小, 分布最好, 此時粒子成長為納米級, 因此, 確定反應(yīng)時間為 45mi

13、n 。納米二氧化硅（VK-SP30）的粒徑僅為幾十納米，具有很高的硬度和很好的穩(wěn)定性，其熔、沸點(diǎn)也很高，具有良好的化學(xué)惰性和熱力穩(wěn)定性。應(yīng)用范圍廣泛納米二氧化硅的制備與表征16陶瓷材料：納米陶瓷、復(fù)合陶瓷基片、功能陶瓷等，可以提高陶瓷制品的韌性、光潔度人造莫來石：具有高的導(dǎo)熱特性和良好的力學(xué)性能，是電子工業(yè)封裝材料的最佳原材料之一；粘結(jié)劑：納米二氧化硅（VK-SP30）小顆粒形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，抑制膠體流動，提高固化速率，提高粘結(jié)效果，同時增加了膠的密封性能；納米二氧化硅的制備與表征17橡膠改性：通過控制SiO2的顆粒尺寸，以制備抗紫外輻射的橡膠、紅外反射橡膠、高絕緣性橡膠等；涂料：利用納米二氧化硅

14、（VK-SP30）透明性和對紫外光的吸收特性;塑料改性：用作塑料的補(bǔ)強(qiáng)劑，使塑料變得很致密，提高了薄膜的透明度、強(qiáng)度和韌性，大大提高防水性能；其它：用作人造牙齒，紙張表面涂層(瓷土)、建筑及防水材料等。納米二氧化硅的制備與表征18納米二氧化硅產(chǎn)品圖片納米二氧化硅產(chǎn)品圖片沉淀法制備納米二氧化硅沉淀法制備納米二氧化硅, , 以濃度以濃度 10 10 20% 20%堿堿 性硅溶膠為原料性硅溶膠為原料, , 以六偏磷酸鈉、分散劑以六偏磷酸鈉、分散劑 C C為分為分散散 穩(wěn)定劑穩(wěn)定劑, , 在水和甲醇混合介質(zhì)中用無機(jī)酸調(diào)在水和甲醇混合介質(zhì)中用無機(jī)酸調(diào)節(jié)體節(jié)體 系的系的 pH pH 為為 7.5 7.5 8.0,50 8.0,50下反應(yīng)約下反應(yīng)約 45min, 45min, 得到納得到納 米級二氧化硅溶膠米級二氧化硅溶膠, , 經(jīng)真空脫水經(jīng)真空脫水干燥篩分干燥篩分, , 得到純得到純 度度 99% 99%以上的納米級二氧化以上的納米級二氧化硅粉體。該方法的最硅粉體。該方法的最 佳工藝條件是佳工藝條件是: : 反應(yīng)溫度反應(yīng)溫度為為 50 50、 pH=7.5 pH=7.5 8.0 8.0、反、反 應(yīng)體系的濃度為應(yīng)體系的濃度為 1010 20% 20%、反應(yīng)時間為、反應(yīng)時間為 45min