一种控制气相二氧化硅分散粒径的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于化学电源材料的制备领域，具体涉及一种控制气相二氧化硅分散粒径的方法。
【背景技术】
[0002]硫酸电解液的凝胶化是阀控式铅酸蓄电池的重要发展方向，应用气相二氧化硅作为胶凝剂是目前各蓄电池厂家的首选。气相二氧化硅具有很高的化学纯度和很强的触变性，它通过在氢氧焰中燃烧热解硅烷获得原生微粒，微粒经碰撞凝结成含14个或更大数目S14单元的支状初级粒子，在冷却过程中这些初级粒子形成了聚集体，聚集体表面硬化后又经范德华力结合成更大的聚集体，这即商品气相二氧化硅通常呈现的形貌。经剪切或剪切超声结合只能得到一定大小的分散粒子，分散粒径不同决定了粒子表面硅羟基种类和数量的不同，因此强烈影响了气相二氧化硅的胶凝特性以及加入蓄电池后的电池性能，控制气相二氧化硅分散粒径成为制备性能优良胶体蓄电池的第一个关键步骤。
[0003]关于气相二氧化娃粒径的重要性早已被意识(Genpten, M.等，J Solid StateElectrochem.2014, 18, 2469 - 2479 ；Chen, Μ.等，Electrochimica Acta 2015, 164,243 - 251 ；Chen, M.等，J.Power Sources 2008, 181, 161-171 ；Kamiya, H.等，J.Am.Ceram.Soc.2000, 83，287-293)，但他们都是根据电镜拍摄的原生粒子或初级粒子来考虑这些单元的尺寸(10_50nm) (Park, J.等，J.Non-Crystalline Solids 2005, 351,2352 - 2357 ；Sun, C.等，Applied Mechanics Materials 2Q\2, 110-116，514-518;Chen, M.等,J.Power Sources 2008, 181, 161-171 ；Kamiya, H.等,J.Am.Ceram.Soc.2000，83，287-293)。这与实际应用严重不相符，因为商品气相二氧化硅经机械力只能破坏彼此结合的范德华力，即分散只能得到如上所述的聚集体，这时的粒径在100-300nm之间。这种理论与实际的脱节导致对分散这一关键的前处理工艺迄今没有明确的知识指导，严重影响甚至阻碍了气相二氧化硅的实际应用。
[0004]本发明经过系统深入地研宄，在明确机械分散粒径是决定商品气相二氧化硅应用效果的重要因素基础上，总结了综合利用剪切力、超声力、分散时间、气相二氧化硅浓度等手段，可以实现对商品气相二氧化硅的分散以及对粒径的有效控制。
【发明内容】
[0005]本发明在于针对现有技术的不足，提供一种能有效控制气相二氧化硅分散粒径的方法。该方法在商品气相二氧化硅配制成浓度为4Wt°/『25Wt%的水溶液时，综合利用剪切力、超声力、分散时间等，能有效控制气相二氧化硅的分散粒径在130nm~240nm。
[0006]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
一种控制气相二氧化硅分散粒径的方法:将商品气相二氧化硅配制成浓度为4wt%~25wt%的水溶液，在剪切线速度为9.64 m/s~27 m/s下，剪切I分钟~15分钟；或再在超声功率为9.5ff -950W下，超声分散I分钟~15分钟；制得分散粒径控制在130nm~240nm(粒度分布仪测定并经浓度外推法处理)的气相二氧化硅。
[0007]本申请采用由定子和转子构成的高速剪切机或均质机进行剪切。
[0008]本申请采用由超声发生器构成的超声波粉碎机进行超声分散。
[0009]本发明综合利用剪切力、超声力、分散时间、气相二氧化硅浓度等手段，单独使用剪切力或联合使用剪切与超声力，合理选择气相二氧化硅浓度，在所述分散时间内，可以良好地控制气相二氧化娃的分散粒径在130nm~240nm。
[0010]条件试验:
I) 二氧化硅浓度变化对气相二氧化硅分散粒径的影响
分别称量浓度为4wt%~25wt%的二氧化硅水溶液，固定剪切线速度为15.5 m/s下，剪切3分钟。气相二氧化硅的分散粒径随气相二氧化硅浓度的变化如图1所示。随着气相二氧化硅浓度增加，分散粒径减小。
[0011]2)剪切线速度的变化对气相二氧化硅的分散粒径的影响
称量浓度为15wt%的二氧化硅水溶液，分别固定剪切线速度为12~24 m/s下，剪切3分钟。气相二氧化硅的分散粒径随剪切线速度的变化如图2所示。随着剪切线速度增加，气相二氧化硅分散粒径减小。
[0012]3 )剪切时间的变化对气相二氧化硅的分散粒径的影响
称量浓度为15wt%的二氧化硅水溶液，固定剪切线速度为15.5 m/s下，分别剪切3~15分钟。气相二氧化硅的分散粒径随剪切时间的变化如图3所示。随着剪切时间增加，气相二氧化硅分散粒径略减小。
[0013]4)超声时间的变化对气相二氧化硅的分散粒径的影响
称量浓度为15wt%的二氧化硅水溶液，在固定剪切线速度为15.5 m/s下，剪切3分钟后，再联合超声分散，在665W功率下分别超声1~9分钟。气相二氧化娃的分散粒径随超声时间的变化如图4所示。随着超声时间增加，气相二氧化硅分散粒径减小。超声条件下能获得比剪切更小的气相二氧化硅分散粒径。
[0014]5)超声功率的变化对气相二氧化硅的分散粒径的影响
称量浓度为15wt%的二氧化硅水溶液，在固定剪切线速度为15.5 m/s下，剪切3分钟后，再联合超声分散，分别固定超声功率为450W~900W下，超声5分钟。气相二氧化娃的分散粒径随超声功率的变化如图5所示。随着超声功率增加，气相二氧化硅分散粒径略减小。
[0015]本发明的显著优点在于:
(1)本发明有目的地改善了商品气相二氧化硅的前处理工艺，综合利用剪切力、超声力、分散时间、气相二氧化硅浓度等手段，实现了对二氧化硅的分散粒径的有效控制，从而大大影响胶凝剂性质以及胶体电池性能；
(2)通过加大气相二氧化硅的浓度来增加粒子间碰撞，从而获得更小的粒径，这个方法不增加生产成本，仅简单地改变浓度条件，就可以获得良好的额外分散效果，具备显著地进步。
【附图说明】
[0016]图1为固定剪切线速度为15.5 m/s，剪切3分钟条件下，气相二氧化硅浓度对分散粒径的影响； 图2为固定气相二氧化硅浓度为15.0wt%，剪切3分钟条件下，剪切线速度对分散粒径的影响；
图3为固定气相二氧化硅浓度为15.0wt%，剪切线速度为15.5 m/s条件下，剪切时间对分散粒径的影响；
图4为固定气相二氧化硅浓度为15.0wt%，剪切线速度为15.5 m/s下剪切3分钟后，再固定665W功率下超声分散，超声时间对分散粒径的影响；
图5为固定气相二氧化硅浓度为15.0wt%，剪切线速度为15.5 m/s下剪切3分钟后，再超声分散5分钟下，超声功率对分散粒径的影响。
【具体实施方式】
[0017]本发明用下列实施例来进一步说明本发明，但本发明的保护范围并不限于下列实施例。
[0018]实施例1
将商品气相二氧化硅配制成浓度为4wt%水溶液，在剪切线速度为9.64 m/s下，剪切I分钟，处理后的气相二氧化娃的分散粒径为240±5 nm。
[0019]实施例2
将商品气相二氧化硅配制成浓度为20wt%水溶液，在剪切线速度为27 m/s下，剪切10分钟，处理后的气相二氧化娃的分散粒径为150±3 nm。
[0020]实施例3
将商品气相二氧化硅配制成浓度为15.0wt%水溶液，在剪切线速度为15.5m/s下，剪切3分钟后；再在超声功率为855W下，超声分散5分钟，处理后的气相二氧化娃的分散粒径为130 ±2 nm。
[0021]以上所述仅为本发明的一部分实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
【主权项】
1.一种控制气相二氧化硅分散粒径的方法，其特征在于:将商品气相二氧化硅配制成浓度为4wt%~25wt%的水溶液，在剪切线速度为9.64 m/s~27 m/s下，剪切I分钟~15分钟；或再在超声功率为9.5W-950W下，超声分散I分钟~15分钟；制得分散粒径控制在130nm~240nm的气相二氧化娃。
2.根据权利要求1所述的控制气相二氧化硅分散粒径的方法，其特征在于:采用由定子和转子构成的高速剪切机或均质机进行剪切。
3.根据权利要求1所述的控制气相二氧化硅分散粒径的方法，其特征在于:采用由超声发生器构成的超声波粉碎机进行超声分散。
【专利摘要】本发明公开了一种控制气相二氧化硅分散粒径的方法。将商品气相二氧化硅配制成浓度为4wt%~25wt%的水溶液，在剪切线速度为9.64m/s~27m/s下，剪切1分钟~15分钟；或再在超声功率为9.5W~950W下，超声分散1分钟~15分钟。本发明在商品气相二氧化硅浓度为4wt%~25wt%的前提下，综合利用剪切力、超声力、分散时间、气相二氧化硅浓度等手段，实现了对商品气相二氧化硅的分散以及对粒径的有效控制，气相二氧化硅的分散粒径能控制在130nm~240nm。
【IPC分类】C01B33-18
【公开号】CN104860324
【申请号】CN201510241684
【发明人】赵剑曦, 孙小祥
【申请人】福州大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年5月13日