专利名称：一种制备高纯球形纳米二氧化硅的方法
技术领域：
本发明属于一种高纯球形纳米二氧化硅的制备方法，特别是用等离子体氢热还原
法制备高纯球形纳米二氧化硅的方法，属于材料技术领域。
二背景技术：
纳米Si02是应用较早的纳米材料之一，已被广泛的应用于橡胶改性、工程塑料、陶 瓷、生物、医学、光学、建材、树脂基复合材料中。近年来，发达国家开发了纳米Si(^的一些新 的应用领域。如在农业中，应用纳米Si(^制作农业种子处理剂，可使蔬菜(甘蓝、西红柿、黄 瓜)棉花、玉米、小麦提高产量，提前成熟期。在食品行业中，添加了纳米Si(^的食品包装 袋，对水果、蔬菜可起到保鲜作用；应用纳米Si(^于酒类生产中可起到净化和延长保鲜期的 作用；纳米Si02还可作为防治水果、蔬菜各种疾病的高效杀菌剂。高纯球形纳米Si02作为 一种新型材料，具有亲水性、稳定性、高介电、高耐热、高耐湿、高填充量、低膨胀、低应力、低 杂质、低摩擦系数。市场潜力巨大，经济效益明显。目前，国内应用的高纯球形纳米Si02基 本依赖于进口。高纯球形纳米Si(^粉体的研究，对于诸多行业产品的提档升级具有极其重 要的意义，也将会大大改变高纯球形纳米Si02仅依赖于进口的局面。 近年来，我国对纳米Si02的研究进展迅速，但对高纯球形纳米Si02的研究较少。 目前，制备高纯球形纳米Si(^的方法主要有高温熔融法、机械整形法、化学气相沉积法以及 溶胶一凝胶法等等，但是效果不是很理想，如高温熔融法生产的高纯球形纳米Si02的成球 率只能达到80%左右，且温度高，装置要求较苛刻、技术参数较难控制，不易获得较高纯度、 粒度均匀的产品。化学气相沉积法原料昂贵、能耗高、技术复杂、对设备要求苛刻，其制得的 Si02的应用也很有限。因此需要开发一种工艺简单、成本低、经济效益高、更加有效地利用 二次资源的高纯球形纳米二氧化硅的制备方法。
三
发明内容
本发明的目的是提供一种制备高纯球形纳米二氧化硅的方法，其工艺简单、成本 低、经济效益高、原料价格低廉、节能环保。 实现本发明上述目的采用的技术步骤如下将含Si02原料在450 IOO(TC下处 理，研磨成粉，酸浸除杂；等离子体反应炉内密闭进行氢热还原，生成Si气体和SiO气体； 以10 IOO(TC /min的速度冷却，SiO歧化反应，离开等离子体区的气体生成Si和Si02球形 纳米颗粒；Si02和Si的混合物加热到300 80(TC氧化处理，最后得到高纯球形纳米Si02。
本发明的具体技术方案为 (1)含Si02原料加热处理时间为1 5h，研磨粒度为50目以下，采用O. 5 4mo1/ L盐酸酸浸，时间为0. 1 3h，酸浸后用蒸馏水洗涤2 5次，在真空干燥箱里烘干，烘干温 度为80 120°C，时间为0. 5 3h，最后将粉末在0. 6 5MPa下压块；
(2)离子体反应炉内反应压力控制在10 110kPa，氢气流量为1 10L/min，反应 时间为10 50min ;
(3)Si02和Si的混合物加热氧化处理时间为10 60min，氧气流速为0. 25L/ min 10L/min。 在所述的离子体反应炉内反应时还通入氩作为保护气，氩气流量为10 100L/ miru 上述的含Si(^原料采用火力发电厂燃料燃烧灰、稻壳灰、二氧化硅矿中的一种或几种。 与现有的制备高纯球形纳米Si02的方法相比，本发明具有以下优点
1.工艺简单 本发明对操作技术和设备的要求都相对较低，因此较容易工业化实施。
2.经济效益高 本工艺使用的原料为火力发电厂燃烧灰、稻壳灰和二氧化硅矿，价格低廉；直接用 等离子体氢热还原，无须添加任何其他还原剂和添加剂，并且工艺流程简单，省去了大量的 工艺步骤，能源消耗大大降低，从而可以大幅度提高经济效益。
3.节能环保 本发明可以处理的原料(火力发电厂燃烧灰、稻壳灰等)是工业废弃物，如果直接 丢弃，会造成环境污染。本工艺步骤简单，能耗低，并且没有废弃物排出，做到了变废为宝、 环保节能。
四
图1为本发明工艺流程示意图。
五具体实施方式
实施例一 使用火力发电厂燃料燃烧灰(二氧化硅含量为80wt% )为原料。首先将原料进行 高温处理，温度控制在80(TC，处理时间为2h ;自然冷却后研磨成50目以下粉末并采用盐酸 酸浸处理进行除杂，盐酸浓度为3mol/L，处理时间为lh ;经蒸馏水洗涤3次后在真空干燥箱 里烘干，烘干温度为12(TC，时间为lh ;最后将粉末压块，成型压力为4MPa。置于氢氩等离子 体反应炉内进行氢热还原，控制压力为100kPa，氩气流速为50L/min，氢气流速为5L/min。 反应15min，得到SiO气体和Si气体；在离开等离子体区时，以800°C /min的速度冷却，SiO 气体发生歧化反应生成球形纳米Si和Si02，同时Si气体迅速凝结成球形纳米Si颗粒。将 得到的混合物经过氧化处理，氧气流速为1. 5L/min，氧化温度为38(TC，时间为15min，最终 得到高纯球形纳米Si02。所得到的高纯球形纳米Si02的纯度为99. 993%，粒度分布均匀， 平均粒径为55纳米。
实施例二 使用稻壳灰(二氧化硅含量为95wt% )为原料。首先将物料进行高温处理，温度 控制在85(TC，处理时间为4h ;自然冷却后研磨成50目以下粉末并采用盐酸酸浸处理进行 除杂，盐酸浓度为3. 5mol/L，处理时间为2. 5h ;经蒸馏水洗涤3次后在真空干燥箱里烘干， 温度为12(TC，时间为1. 5h ;最后将粉末压块，成型压力为4MPa。置于等离子体反应炉内，控 制压力为90kPa ;氩气流速为80L/min，氢气流速为8L/min，反应20min，得到SiO气体和Si
4气体；在离开等离子体区时，以500°C /min的速度冷却，Si0气体发生歧化反应生成球形纳 米Si和Si02，同时Si气体迅速凝结成球形纳米Si颗粒。将得到的混合物经过氧化处理， 氧气流速为1. 2L/min，氧化温度为560°C，时间为10min，最终得到高纯球形纳米Si02。所 得到的高纯球形纳米二氧化硅的纯度为99. 992%，粒度分布均匀，平均粒径为60纳米。
实施例三 使用含二氧化硅为99wt^的二氧化硅石英砂为原料。首先将物料进行高温处理， 温度控制在650°C，处理时间为3h ;自然冷却后研磨成50目以下粉末并采用盐酸酸浸处理 进行除杂，盐酸浓度为lmol/L，处理时间为0. 5h ;经蒸馏水洗涤2次后在真空干燥箱里烘 干，温度为12(TC，时间为lh ;最后将粉末压块，成型压力为4MPa。置于等离子体反应炉内， 控制压力为110kPa ;氩气流速为80L/min，氢气流速为8L/min，反应20min，得到Si0气体和 Si气体；在离开等离子体区时，以300°C /min的速度冷却，SiO气体发生歧化反应生成球形 纳米Si和Si02，同时Si气体迅速凝结成球形纳米Si颗粒。将得到的混合物经过氧化处理， 氧气流速为1. 8L/min，氧化温度为750°C，时间为20min，最终得到高纯球形纳米Si02。所 得到的高纯球形纳米二氧化硅的纯度为99. 995%，粒度分布均匀，平均粒径为90纳米。
权利要求
一种制备高纯球形纳米二氧化硅的方法，其特征是工艺步骤如下将含SiO2原料在450～1000℃下处理，研磨成粉，酸浸除杂；等离子体反应炉内密闭进行氢热还原，生成Si气体和SiO气体；以10～1000℃/min的速度冷却，SiO歧化反应，离开等离子体区的气体生成Si和SiO2球形纳米颗粒；SiO2和Si的混合物加热到300～800℃氧化处理，最后得到高纯球形纳米SiO2。
2. 按权利要求1所述的制备高纯球形纳米二氧化硅的方法，其特征是(1) 含Si02原料加热处理时间为1 5h，研磨粒度为50目以下，采用0. 5 4mol/L盐 酸酸浸，时间为0. 1 3h，酸浸后用蒸馏水洗涤2 5次，在真空干燥箱里烘干，烘干温度为 80 120°C，时间为0. 5 3h，最后将粉末在0. 6 5MPa下压块；(2) 离子体反应炉内反应压力控制在10 110kPa，氢气流量为1 10L/min，反应时间 为10 50min ;(3) Si02和Si的混合物加热氧化处理时间为10 60min，氧气流速为0. 25L/min 10L/min。
3. 按权利要求2所述的制备高纯球形纳米二氧化硅的方法，其特征是离子体反应炉内反应时通入氩作为保护气，氩气流量为10 100L/min。
4. 按权利要求2所述的制备高纯球形纳米二氧化硅的方法，其特征是含Si02原料采 用火力发电厂燃料燃烧灰、稻壳灰、二氧化硅矿中的一种或几种。
全文摘要
本发明属于一种高纯球形纳米二氧化硅的制备方法，特别是用等离子体氢热还原法制备高纯球形纳米二氧化硅的方法，属于材料技术领域。本发明工艺步骤如下将含SiO2原料在450～1000℃下处理，研磨成粉，酸浸除杂；等离子体反应炉内密闭进行氢热还原，生成Si气体和SiO气体；以10～1000℃/min的速度冷却，SiO歧化反应，离开等离子体区的气体生成Si和SiO2球形纳米颗粒；SiO2和Si的混合物加热到300～800℃氧化处理，最后得到高纯球形纳米SiO2。本方法获得的球形纳米SiO2纯度大于99.99％，粒度分布均匀，平均粒径为50～200纳米。工艺流程短、成本低、经济效益高、节能环保。
文档编号C01B33/18GK101746767SQ200910218379
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月17日 优先权日2009年12月17日
发明者伍继君, 刘大春, 刘永成, 周晓奎, 周阳, 戴永年, 朱文杰, 杨振伟, 杨斌, 秦博, 谢克强, 马文会, 魏奎先 申请人:昆明理工大学