二氧化硅制备与表征

1、 小组成员与与分工：林俊（演讲） 胡成浪（ppt制作） 冯家成（资料搜集）纳米二氧化硅的制备与表征1研究课题：一一 : : 引言引言认识二氧化硅认识二氧化硅二：二： 纳米二氧化硅的制备纳米二氧化硅的制备1.1.制备纳米二氧化硅实验原理制备纳米二氧化硅实验原理2.2.具体实验方法和步骤具体实验方法和步骤3.3.实验结果的分析和讨论实验结果的分析和讨论三：三： 纳米二氧化硅应用纳米二氧化硅应用四：四： 结语结语纳米二氧化硅的制备与表征2 纳米二氧化硅是指平均粒径在 1 100nm 之 间的颗粒, 它是纳米材料中的重要成员之一, 因为 其分散性好, 有巨大的比表面积, 光学性能和化学 稳定性优良,

2、使得与同组成的微米材料相比, 具有 许多奇异的性能, 为材料科学与凝聚态物理领域 中的研究热点, 并广泛应用于橡胶、工程塑料、涂 料、胶粘剂、封装材料和化妆品等行业。纳米二氧化硅的制备与表征3纳米二氧化硅的制备与表征4目前, 制备纳米二氧化硅最多的是采用： 气相法 溶胶凝胶法因此：因此： 下下文文将将以碱性硅溶胶与无机酸为原料以碱性硅溶胶与无机酸为原料, , 加入分加入分 散剂阻止颗粒聚结散剂阻止颗粒聚结, , 在水和甲醇介质在水和甲醇介质中详细研究中详细研究 了了沉淀法沉淀法的合成工艺条件的合成工艺条件, , 优化优化出了配方和工艺出了配方和工艺, , 制备出成本低廉、工艺简制备出成本低廉、

3、工艺简单、高比表积和纯度高的单、高比表积和纯度高的 纳米级二氧化硅粉纳米级二氧化硅粉体。体。纳米二氧化硅的制备与表征5用沉淀法制备超细二氧化硅虽然原料价廉、工艺简单、易于工业化, 具有很好的应用前景, 但由于该法制备的纳米二氧化硅的孔径较小, 反 应条件较难控制没能得到推广。试剂:碱性硅溶胶: =1.19、 pH=9.10、 SiO2 浓度为30%、粒度 5 10nm, 青岛海洋化工集团; 分散剂六 偏磷酸钠 ( NaAB) , 化学纯试剂; 分散剂 C ( 高分子 聚合物的钠盐) 上海德谦化学有限公司工业品。仪器：JEM-2000EX 型电子显微镜, 日本电子公司 生产;TRIHTAR-30

4、00 全自动表面孔隙度分析仪, 美国麦克公司;AVATAR 370DTGS 红外光谱分析 仪, 美国热电集团尼高力公司;ZETASIZER 100HS 型激光粒度仪, 英国马尔文仪器有限公司; 高速粉碎机, 天津泰斯特实验仪器厂。纳米二氧化硅的制备与表征6 制备方法 ：将碱性硅溶胶加入三口烧瓶中, 加入计量的 甲醇、去离子水和分散剂六偏磷酸钠 ( NaAB) , 配 成一定浓度的溶液, 然后在一定的搅拌速度下, 慢 慢滴入适量的无机酸至所需要的酸度, 水浴加热 至 50 54, 待体系的 pH 稳定后, 再加入定量的 高分子分散剂 C, 在高速搅拌下继续恒温反应一 定时间, 得到适宜粒径的硅溶

5、胶, 最后将该硅溶胶 真空干燥 5h 以上, 将得到的白色固体在高速粉碎 机中研磨 1min, 经 700 目筛网筛分后的产品进行 性能测定, 并计算产率。纳米二氧化硅的制备与表征7 （1 1）分散剂和溶液酸度对产物性能的影响分散剂 的种类、用量和溶液 pH 值对产品的影响见下表 纳米二氧化硅的制备与表征8表表 1 1表明表明: : 仅加入一种分散剂六偏磷酸钠仅加入一种分散剂六偏磷酸钠, , SiO2 SiO2 粉体的粒径较大粉体的粒径较大, , 纳米级二氧化硅生成纳米级二氧化硅生成率低率低; ; 六偏磷酸钠与分散剂六偏磷酸钠与分散剂 C C 同时并用同时并用,SiO2 ,SiO2 粉体的粒粉

6、体的粒 径变小径变小,700 ,700 目筛网筛分率增加目筛网筛分率增加, , 颗颗粒尺寸大多数粒尺寸大多数 属纳米级属纳米级 ( ( 图图 1) 1) 纳米二氧化硅的制备与表征9 六偏磷酸钠包覆在纳六偏磷酸钠包覆在纳 米二氧化硅颗粒表面米二氧化硅颗粒表面, , 使粒子间带使粒子间带有相同的电荷而排斥有相同的电荷而排斥, , 减少聚沉。但由于六偏磷酸钠体积减少聚沉。但由于六偏磷酸钠体积较小较小, , 仅用六偏磷酸钠分散剂形成的双电层难于有效阻仅用六偏磷酸钠分散剂形成的双电层难于有效阻 止止带电粒子团聚带电粒子团聚, , 而配合使用高分子盐分散剂而配合使用高分子盐分散剂 C, C, 对纳米二对纳

7、米二氧化硅颗粒包覆形成的空间位阻作用与氧化硅颗粒包覆形成的空间位阻作用与 具有双电层结构的具有双电层结构的六偏磷酸钠协同作用六偏磷酸钠协同作用, , 才能产才能产 生有效阻聚作用。高分子稳生有效阻聚作用。高分子稳定剂的稳定机理主要定剂的稳定机理主要 是其结构中的高分子阴离子具有空间是其结构中的高分子阴离子具有空间位阻斥力位阻斥力, ,且能形成一定厚度的双电层。且能形成一定厚度的双电层。 高分子盐分散剂的粒子在相互接近时产生两种情况吸附层高分子盐分散剂的粒子在相互接近时产生两种情况吸附层被压缩而不发生相互渗透被压缩而不发生相互渗透; ; 吸附层能发生相互渗透、互相吸附层能发生相互渗透、互相重叠。

8、这两种情况都导致体系能量升高重叠。这两种情况都导致体系能量升高, , 自由能增大。第自由能增大。第一种情况由于高分子失去结构熵而产生熵斥力位能一种情况由于高分子失去结构熵而产生熵斥力位能; ; 第二第二种情况由于重叠区域浓度升高产生渗透斥力和混合斥力位种情况由于重叠区域浓度升高产生渗透斥力和混合斥力位能能, , 因而导致吸附了高分子的原生粒子再发生团聚的难度因而导致吸附了高分子的原生粒子再发生团聚的难度, , 保持体系的保持体系的 稳定。稳定。纳米二氧化硅的制备与表征10纳米二氧化硅的制备与表征11 从从前面的前面的表表 1 1和图和图2 2 也可看出也可看出, , 溶液的溶液的 pH pH

9、值影响硅溶胶稳定性值影响硅溶胶稳定性, , 也是影响产品颗粒大小的重要因也是影响产品颗粒大小的重要因素。素。 在合适的分散剂存在条件在合适的分散剂存在条件下下, , 溶液的溶液的 pH=7.5 pH=7.5 8 8 才才 能能得到高产率且粒径小于得到高产率且粒径小于 40nm 40nm 二二氧化硅粉体。氧化硅粉体。 这个实验结果可这个实验结果可从图从图 2 2 加以说明加以说明99。pH=8pH=8 9 9 范围范围 为溶胶的稳定区为溶胶的稳定区,pH= 5,pH= 5 7 7 为不稳定区为不稳定区,pH,pH值值4 4以下为介稳以下为介稳区域区域, , 因此因此, , 我们选择反应时的我们选

10、择反应时的 pH= 7.5pH= 7.5 8 8纳米二氧化硅的制备与表征12硅溶胶的浓度对二氧化硅的影响硅溶胶的浓度对二氧化硅的影响表表 2 2 表明表明, , 在其他条件不变的情况下在其他条件不变的情况下, , 硅溶硅溶胶的浓度较低时胶的浓度较低时 ( 20%) , ( 20%20%时易出现沉淀时易出现沉淀, , 浓度浓度30%30%时易出现凝胶。时易出现凝胶。根据双电层理论根据双电层理论, , 在静电斥力作用下在静电斥力作用下, , 一一个不完全均衡的电荷分布总是存在于粒子个不完全均衡的电荷分布总是存在于粒子表面表面, , 当静当静 电斥力大于范德华力时电斥力大于范德华力时, , 易形易形

11、成稳定的分散体系。成稳定的分散体系。 这种稳定体系对于稀这种稳定体系对于稀溶液和有极性的有机介质是溶液和有极性的有机介质是 有效的。但随有效的。但随着溶胶浓度的增大着溶胶浓度的增大, , 胶团互相碰撞的胶团互相碰撞的 次数次数增加增加, , 聚集成大颗粒的机会增多聚集成大颗粒的机会增多, , 溶胶的溶胶的稳定稳定 性降低性降低, , 因而加速了溶胶的聚沉。虽因而加速了溶胶的聚沉。虽然低浓度下合然低浓度下合 成的粒子粒径小成的粒子粒径小, , 单分散性单分散性能较好能较好, , 但反应物浓度但反应物浓度 过低将导致产率不过低将导致产率不高。为保证粒子性能又要兼顾高。为保证粒子性能又要兼顾 产率产

12、率, , 可选可选初始反应物浓度为初始反应物浓度为 10 10 20% 20%纳米二氧化硅的制备与表征13理论解释纳米二氧化硅的制备与表征14反应温度对纳米二氧化硅产率的影响反应温度对纳米二氧化硅产率的影响图 3 表明: 纳米二氧化硅的产率受反应温度的影响, 反应温度为50时产率最高, 为97%左右。温度还影响二氧化硅溶胶的电离平衡及溶解度, 同时还影响溶液中的过饱和度。纳米二氧化硅的制备与表征15反应时间对纳米二氧化硅的影响反应时间对纳米二氧化硅的影响实验证明反应时间为 40-45min 时得到的纳 米二氧化硅的粒径最小, 分布最好, 此时粒子成长为纳米级, 因此, 确定反应时间为 45mi

13、n 。纳米二氧化硅（VK-SP30）的粒径仅为几十纳米，具有很高的硬度和很好的稳定性，其熔、沸点也很高，具有良好的化学惰性和热力稳定性。应用范围广泛纳米二氧化硅的制备与表征16陶瓷材料：纳米陶瓷、复合陶瓷基片、功能陶瓷等，可以提高陶瓷制品的韧性、光洁度人造莫来石：具有高的导热特性和良好的力学性能，是电子工业封装材料的最佳原材料之一；粘结剂：纳米二氧化硅（VK-SP30）小颗粒形成网络结构，抑制胶体流动，提高固化速率，提高粘结效果，同时增加了胶的密封性能；纳米二氧化硅的制备与表征17橡胶改性：通过控制SiO2的颗粒尺寸，以制备抗紫外辐射的橡胶、红外反射橡胶、高绝缘性橡胶等；涂料：利用纳米二氧化硅

14、（VK-SP30）透明性和对紫外光的吸收特性;塑料改性：用作塑料的补强剂，使塑料变得很致密，提高了薄膜的透明度、强度和韧性，大大提高防水性能；其它：用作人造牙齿，纸张表面涂层(瓷土)、建筑及防水材料等。纳米二氧化硅的制备与表征18纳米二氧化硅产品图片纳米二氧化硅产品图片沉淀法制备纳米二氧化硅沉淀法制备纳米二氧化硅, , 以浓度以浓度 10 10 20% 20%碱碱 性硅溶胶为原料性硅溶胶为原料, , 以六偏磷酸钠、分散剂以六偏磷酸钠、分散剂 C C为分为分散散 稳定剂稳定剂, , 在水和甲醇混合介质中用无机酸调在水和甲醇混合介质中用无机酸调节体节体 系的系的 pH pH 为为 7.5 7.5 8.0,50 8.0,50下反应约下反应约 45min, 45min, 得到纳得到纳 米级二氧化硅溶胶米级二氧化硅溶胶, , 经真空脱水经真空脱水干燥筛分干燥筛分, , 得到纯得到纯 度度 99% 99%以上的纳米级二氧化以上的纳米级二氧化硅粉体。该方法的最硅粉体。该方法的最 佳工艺条件是佳工艺条件是: : 反应温度反应温度为为 50 50、 pH=7.5 pH=7.5 8.0 8.0、反、反 应体系的浓度为应体系的浓度为 1010 20% 20%、反应时间为、反应时间为 45min