二氧化硅制备与表征教材

纳米二氧化硅的制备与表征

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：主要内容一:引言——认识二氧化硅二：纳米二氧化硅的制备1.制备纳米二氧化硅实验原理2.具体实验方法和步骤3.实验结果的分析和讨论三：纳米二氧化硅应用四：结语纳米二氧化硅的制备与表征2一：引言——简单认识纳米二氧化硅

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,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纳米二氧化硅的电镜图片纳米二氧化硅的制备与表征4二：纳米二氧化硅的制备

目前,制备纳米二氧化硅最多的是采用：①气相法②溶胶凝胶法因此：

下文将以碱性硅溶胶与无机酸为原料,加入分散剂阻止颗粒聚结,在水和甲醇介质中详细研究了沉淀法的合成工艺条件,优化出了配方和工艺,制备出成本低廉、工艺简单、高比表积和纯度高的纳米级二氧化硅粉体。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。实验部分试剂:碱性硅溶胶:ρ=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-3000全自动表面孔隙度分析仪,美国麦克公司;AVATAR370DTGS红外光谱分析仪,美国热电集团尼高力公司;ZETASIZER100HS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实验部分制备方法：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实验结果与讨论

（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实验结果与讨论表1表明:仅加入一种分散剂六偏磷酸钠,SiO2粉体的粒径较大,纳米级二氧化硅生成率低;六偏磷酸钠与分散剂C同时并用,SiO2粉体的粒径变小,700目筛网筛分率增加,颗粒尺寸大多数属纳米级(图1)

纳米二氧化硅的制备与表征9原理

六偏磷酸钠包覆在纳米二氧化硅颗粒表面,使粒子间带有相同的电荷而排斥,减少聚沉。但由于六偏磷酸钠体积较小,仅用六偏磷酸钠分散剂形成的双电层难于有效阻止带电粒子团聚,而配合使用高分子盐分散剂C,对纳米二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六偏磷酸钠协同作用,才能产生有效阻聚作用。高分子稳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位阻斥力,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被压缩而不发生相互渗透;吸附层能发生相互渗透、互相重叠。这两种情况都导致体系能量升高,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;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能,因而导致吸附了高分子的原生粒子再发生团聚的难度,保持体系的稳定。纳米二氧化硅的制备与表征10实验结果与讨论纳米二氧化硅的制备与表征11

从前面的表1和图2也可看出,溶液的pH值影响硅溶胶稳定性,也是影响产品颗粒大小的重要因素。在合适的分散剂存在条件下,溶液的pH=7.5～8才能得到高产率且粒径小于40nm二氧化硅粉体。这个实验结果可从图2加以说明[9]。pH=8～9范围为溶胶的稳定区,pH=5～7为不稳定区,pH值4以下为介稳区域,因此,我们选择反应时的pH=7.5～8PH对产品颗粒的影响实验结果与讨论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表2表明,在其他条件不变的情况下,硅溶胶的浓度较低时(<20%),反应后的体系是稳定的溶胶体系,在反应和陈化过程中无沉淀或凝胶产生。其浓度越大,微粒之间的碰撞几率越大,越易出现沉淀或凝胶;硅溶胶的浓度>20%时易出现沉淀,浓度>30%时易出现凝胶。实验结果与讨论根据双电层理论,在静电斥力作用下,一个不完全均衡的电荷分布总是存在于粒子表面,当静电斥力大于范德华力时,易形成稳定的分散体系。这种稳定体系对于稀溶液和有极性的有机介质是有效的。但随着溶胶浓度的增大,胶团互相碰撞的次数增加,聚集成大颗粒的机会增多,溶胶的稳定性降低,因而加速了溶胶的聚沉。虽然低浓度下合成的粒子粒径小,单分散性能较好,但反应物浓度过低将导致产率不高。为保证粒子性能又要兼顾产率,可选初始反应物浓度为10～20%纳米二氧化硅的制备与表征13理论解释实验结果与讨论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。实验结果与讨论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45min。三：纳米二氧化硅的实际应用纳米二氧化硅（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；实际应用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（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。实际应用纳米二氧化硅的制备与表征18纳米二氧化硅产品图片四：结语

沉淀法制备纳米二氧化硅,以浓度10～20%碱性硅溶胶为原料,以六偏磷酸钠、分散剂C为分散稳定剂,在水和甲醇混合介质中用无机酸调节体系的pH为7.5～8.0,50℃下反应约45min,得到纳米级二氧化硅溶胶,经真空脱水干燥筛分,得到纯度99%以上的纳米级二氧化硅粉体。该方法的最佳工艺条件是:反应温度为50℃、pH=7.5～8.0、反应体系的浓度为10～20%、反应时间