一種利用氣液固三相淤漿反應(yīng)器制備單分散硅溶膠的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用氣液固三相淤漿反應(yīng)器制備單分散硅溶膠的方法，其特征在于：向淤漿反應(yīng)器內(nèi)加入堿液和硅粉，堿液連續(xù)加入，硅粉分批加入。本發(fā)明基于氣體在液相內(nèi)的自由上升對體系的攪動作用機理，利用硅粉水解自身生成氣體(H2)體積較小、分散均勻及大小均一的特性，實現(xiàn)良好的攪拌效果，使硅粉在反應(yīng)器內(nèi)呈懸浮狀態(tài)，與液相保持充分接觸。反應(yīng)器內(nèi)不需額外的鼓泡裝置即可達(dá)到反應(yīng)所需的攪拌要求。所得的硅溶膠具有形貌規(guī)則、粒徑均一、單分散的優(yōu)點。
【專利說明】
一種利用氣液固三相淤漿反應(yīng)器制備單分散硅溶膠的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種硅溶膠的制備方法，具體涉及利用氣液固三相淤漿反應(yīng)器制備單分散娃溶膠的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]硅溶膠是指無定形的二氧化硅在水中或者其他溶劑中的分散體系，具有膠體的性質(zhì)，粒徑5?lOOnm。由于其巨大的比表面積及粒子奇特的表面特性，而被廣泛應(yīng)用于化學(xué)機械拋光(CMP)、電子工業(yè)、工業(yè)催化、紡織、造紙等領(lǐng)域。尤其是大粒徑、單分散性的硅溶膠的應(yīng)用，更是受到青睞。一般，對大粒徑的定義為粒徑大于20nm。
[0003]目前，制備硅溶膠的方法主要有硅粉水解法、離子交換法、溶膠-凝膠法、硅酸鈉酸化法等。由于硅粉水解法操作簡單、粒子單分散性高、無廢水產(chǎn)生等優(yōu)點而廣受關(guān)注。CN101585541A提出了一種電子級硅溶膠的制備方法，先用硅粉水解得到的硅溶膠，依次通過粒徑選擇器、離子交換樹脂來分別達(dá)到控制產(chǎn)品粒徑與純度的目的。所得最終產(chǎn)品粒徑10?20nm，可見未經(jīng)后處理的原產(chǎn)品粒徑分散性較差，且專利中對粒徑選擇器并無過多介紹。CN102173426A提出了一種高均勻度硅溶膠的制備方法，在超聲波作用下通過向種子溶液中不斷補加硅粉和堿性催化劑來實現(xiàn)硅溶膠粒徑的生長。其主要作用機理是利用超聲波的作用，使得硅粉和硅溶膠粒子在體系內(nèi)達(dá)到均勻分散。其中超聲波頻率為20KHz?50MHz，需要消耗大量能量來產(chǎn)生足夠頻率的超聲波。CN1830778A提出了一種大粒徑納米級二氧化硅膠體的制備方法，其具體操作為:攪拌作用下向堿性水溶液中不斷添加硅粉，通過控制硅粉加入量及其加入時間，以可控制新形成的二氧化硅在晶種表面生長，得到高純度、窄粒徑分布且粒徑可控的硅溶膠。CN1974385A提出了一種單分散性二氧化硅溶膠的制備方法，通過對堿液加入速度的控制，使溶液中的硅酸濃度始終小于二氧化硅新粒子形成所需的濃度，硅酸吸附在二氧化硅種粒子表面并生長使粒子增大，來實現(xiàn)粒徑的均勻分布與可控增長。但以上兩者均是通過對硅粉水解及粒子增長的動力學(xué)要素控制來達(dá)到控制粒徑及粒徑分布的目的，并未涉及對硅粉及硅溶膠粒子在體系內(nèi)分散性的敘述。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種氣液固三相淤漿反應(yīng)器制備單分散硅溶膠的方法以彌補現(xiàn)有技術(shù)存在的不足。本發(fā)明提供的氣液固三相淤漿反應(yīng)器制備單分散硅溶膠的方法，其原理是基于氣體在液相內(nèi)的自由上升對體系的攪動作用機理，利用硅粉水解自身生成氫氣體積較小、分散均勻及大小均一的特性，實現(xiàn)良好的攪拌效果。反應(yīng)器內(nèi)不需額外的鼓泡裝置即可達(dá)到反應(yīng)所需的攪拌效果。硅粉與堿液的逆流接觸，增大了硅粉沉降的阻力，同時，硅粉水解產(chǎn)生的氫氣易吸附在硅粉表面，增大了硅粉的浮力。氣體在脫離硅粉表面后，其大小均一，且在反應(yīng)器內(nèi)各處均勻產(chǎn)生，無死角，這為氣體對體系的攪拌更為有利。
[0005]本發(fā)明的優(yōu)勢是充分利用在硅粉水解過程中所釋放出的H2，在管內(nèi)的自由上升進(jìn)程對硅粉的撞擊與托浮作用，并結(jié)合堿液由下而上的進(jìn)入對硅粉的推動作用來實現(xiàn)反應(yīng)體內(nèi)的均一化。
[0006]按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，一種利用氣液固三相淤漿反應(yīng)器制備單分散硅溶膠的方法，其特征在于制備過程中包括如下步驟:
[0007]A.基于附圖的氣液固三相淤漿反應(yīng)器，堿液由底部的堿液入口(I)加入，至反應(yīng)器1/5?1/2高度后，由加料口⑵分批加入硅粉，加熱介質(zhì)由⑷進(jìn)入，由(5)排出，控制反應(yīng)溫度50?90°C ;
[0008]B.硅粉在堿催化作用下與水反應(yīng)，生成硅酸單體和氫氣，硅酸單體聚合后得到二氧化硅水溶膠，氫氣上浮形成鼓泡攪拌，硅粉顆粒依靠氫氣托起，在堿液中呈懸浮狀態(tài)；
[0009]C.堿液為連續(xù)進(jìn)入，當(dāng)堿液充滿反應(yīng)器后，關(guān)閉(6)處閥門停止通入，并保溫反應(yīng)2?12小時；
[0010]D.將料液由底部出料口(3)排出，過濾去除掉未反應(yīng)的硅粉，即得產(chǎn)品單分散硅溶膠。
[0011]優(yōu)選的，所述硅粉的粒徑為100?600目。
[0012]優(yōu)選的，所述氣液固三相淤漿反應(yīng)器的長徑比為50:1?250:1。
[0013]優(yōu)選的，所述硅粉分批加入次數(shù)為3?6次，每次間隔20?120分鐘。
[0014]優(yōu)選的，所述堿溶液為Na0H、K0H、NH40H、Li0H中的一種或幾種的水溶液，其質(zhì)量濃優(yōu)選的，度為0.05?2.5%。
[0015]優(yōu)選的，所述堿溶液的加入速率為0.5mL/min?5mL/min。
[0016]優(yōu)選的，所述硅粉與堿的質(zhì)量比為50:1?10:1。
[0017]優(yōu)選的，所述硅溶膠產(chǎn)品的粒徑為10?50nm，多分散性指數(shù)0.01?0.04。
【附圖說明】
[0018]圖1為氣液固三相淤漿反應(yīng)器裝置示意圖
[0019]圖2為粒徑13nm硅溶膠的粒徑分布圖
[0020]圖3為粒徑20nm硅溶膠的掃描電鏡圖[0021 ] 圖4為粒徑50nm硅溶膠的掃描電鏡圖
【具體實施方式】
[0022]以下是利用氣液固三相淤漿反應(yīng)器制備單分散硅溶膠的方法的實施例，但所述實施例不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。
[0023]實施例1
[0024]—種利用氣液固三相淤漿反應(yīng)器制備單分散硅溶膠的方法，其組分按質(zhì)量份數(shù)計，包括以下工藝步驟:
[0025]選用氣液固三相淤漿反應(yīng)器的長徑比為50: I ;硅粉粒徑為100目，加入量為7份，分3次加入，每次間隔20分鐘；堿液由0.05份NaOH和99.95份水構(gòu)成，進(jìn)液速率為
0.5mL/min ;硅粉與堿的質(zhì)量比為10: I ;反應(yīng)溫度50°C，停止通入堿液后保溫反應(yīng)2小時。得到的硅溶膠粒徑為13nm，多分散性指數(shù)為0.021。圖2為本實施例下得到硅溶膠的粒徑分布圖。
[0026]實施例2
[0027]—種利用氣液固三相淤漿反應(yīng)器制備單分散硅溶膠的方法，其組分按質(zhì)量份數(shù)計，包括以下工藝步驟:
[0028]選用氣液固三相淤漿反應(yīng)器的長徑比為250: I ;硅粉粒徑為200目，加入量為50份，分4次加入，每次間隔120分鐘；堿液由I份NaOH和99份水構(gòu)成，進(jìn)液速率為5mL/min ;硅粉與堿的質(zhì)量比為20: I ;反應(yīng)溫度70°C，停止通入堿液后保溫反應(yīng)10小時。得到的硅溶膠粒徑為20nm，多分散性指數(shù)為0.012。圖3為本實施例下得到硅溶膠的掃描電鏡圖。
[0029]實施例3
[0030]一種利用氣液固三相淤漿反應(yīng)器制備單分散硅溶膠的方法，其組分按質(zhì)量份數(shù)計，包括以下工藝步驟:
[0031]選用氣液固三相淤漿反應(yīng)器的長徑比為100: I ;硅粉粒徑為600目，加入量為100份，分6次加入，每次間隔80分鐘；堿液由I份NaOH, I份Κ0Η,0.5份NH4OH和97.5份水構(gòu)成，進(jìn)液速率為2mL/min ;硅粉與堿的質(zhì)量比為50: I ;反應(yīng)溫度90°C，停止通入堿液后保溫反應(yīng)12小時。得到的硅溶膠粒徑為50nm，多分散性指數(shù)為0.036。圖4為本實施例下得到硅溶膠的掃描電鏡圖。
[0032]上述實施例的描述應(yīng)該被視為說明，易于理解的是，可在不脫離如在權(quán)利要求書中闡述的本發(fā)明的情況下使用上文闡述的特征的許多變化和組合，這類變化并不被視為脫離了本發(fā)明的精神和范圍，且所有這類變化都包括在以上權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種利用氣液固三相淤漿反應(yīng)器制備單分散硅溶膠的方法，其特征在于制備過程中包括如下步驟: A.基于附圖的氣液固三相淤漿反應(yīng)器，堿液由底部的堿液入口(I)加入，至反應(yīng)器.1/5?1/2高度后，由加料口⑵分批加入硅粉，加熱介質(zhì)由⑷進(jìn)入，由(5)排出，控制反應(yīng)溫度50?90°C ; B.硅粉在堿催化作用下與水反應(yīng)，生成硅酸單體和氫氣，硅酸單體聚合后得到二氧化硅水溶膠，氫氣上浮形成鼓泡攪拌，硅粉顆粒依靠氫氣托起，在堿液中呈懸浮狀態(tài)； C.堿液為連續(xù)進(jìn)入，當(dāng)堿液充滿反應(yīng)器后，關(guān)閉(6)處閥門停止通入，并保溫反應(yīng)2?.12小時； D.將料液由底部出料口(3)排出，過濾去除掉未反應(yīng)的硅粉，即得產(chǎn)品單分散硅溶膠。2.權(quán)利要求書I所述的利用氣液固三相淤漿反應(yīng)器制備單分散硅溶膠的方法，其特征在于所述硅粉的粒徑為100?600目。3.權(quán)利要求書I所述的利用氣液固三相淤漿反應(yīng)器制備單分散硅溶膠的方法，其特征在于所述氣液固三相淤漿反應(yīng)器的長徑比為50:1?250:1。4.如權(quán)利要求書I所述的利用氣液固三相淤漿反應(yīng)器制備單分散硅溶膠的方法，其特征在于所述硅粉分批加入次數(shù)為3?6次，每次間隔20?120分鐘。5.如權(quán)利要求書I所述的利用氣液固三相淤漿反應(yīng)器制備單分散硅溶膠的方法，其特征在于所述堿溶液為NaOH、KOH、NH4OH, L1H中的一種或幾種的水溶液，其質(zhì)量濃度為.0.05 ?2.6.如權(quán)利要求書I所述的利用氣液固三相淤漿反應(yīng)器制備單分散硅溶膠的方法，其特征在于所述堿溶液的加入速率為0.5mL/min?5mL/min。7.如權(quán)利要求書I所述的利用氣液固三相淤漿反應(yīng)器制備單分散硅溶膠的方法，其特征在于所述硅粉與堿的質(zhì)量比為50:1?10:1。8.如權(quán)利要求書I所述的利用氣液固三相淤漿反應(yīng)器制備單分散硅溶膠的方法，其特征在于所述硅溶膠產(chǎn)品的粒徑為10?50nm，多分散性指數(shù)0.01?0.04。
【文檔編號】C01B33/141GK105883825SQ201410784160
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年12月16日
【發(fā)明人】張春芳, 周波, 白云翔, 孫余憑, 顧瑾
【申請人】江南大學(xué)