一种核壳结构的空心玻璃微珠前体微粒的制备及应用的制作方法

本发明属于空心玻璃微珠前体微粒制备，更具体地说，本发明涉及一种核壳结构的空心玻璃微珠前体微粒的制备及应用。

背景技术：

1、空心玻璃微珠是一种中空、直径在微米级的球形玻璃粉末，具有密度低、强度高、环境稳定性好、易分散的优点。通过对空心玻璃微珠的玻璃材料组分进行设计调控能够赋予其抗腐蚀、抗辐射、隔热、隔音、绝缘等功能，因此被广泛应用于航空、深海等尖端技术领域及石油化工等民用领域。

2、空心玻璃微珠的工业化制备工艺主要有两个阶段：一是制备前体微粒；二是前体微粒在高温下发泡成球。其中第一阶段制备的前体微粒的性质对第二阶段发泡成球的效率及产品性能有决定性的影响。目前前体微粒的主流工业生产方法有两种：一种是玻璃粉末法，其工艺是将石英砂、石灰石、硼酸等原料均匀混合后高温(1200～1400℃)熔融成玻璃液，然后进行水淬、烘干、粉碎处理获得既定组成的前体微粒粉体，该方法由于经过了高温熔融阶段，前体微粒完成了硅酸盐形成和玻璃材料形成的化学物理过程，获得的微球产品具有较高的化学稳定性和高耐压强度，但是发泡效率低，成本高。另一种是软化学法，将二氧化硅微粉、无机盐、发泡剂和稳定分散剂按一定比例在水中分散形成浆料，然后经喷雾干燥获得前体微粒，该方法制备的前体微粒各组分在稳定分散剂的粘结作用下聚集成微粒，各组分之间无化学键合作用，因此前体微粒强度较低，金属盐易析出。

3、通过流体力学仿真模拟方法对前体微粒成球过程中的传热、传质及形貌演变进行分析，前体微粒发泡成球的全过程可分解为封装、发泡、精炼、冷却固化4个阶段，其中发泡阶段可以分为气泡成核、气泡生长、气泡聚并、气泡合一这4个过程，前体微粒经历了从实心颗粒、多孔粒子、核壳颗粒到空心微球的演变。玻璃粉末法和软化学法获得的前体微粒都属于实心粒子，在高温玻化成球过程中存在发泡不完全的问题。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

2、为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种核壳结构的空心玻璃微珠前体微粒的制备方法，包括以下步骤：

3、步骤一、将水玻璃与水混合，然后用阳离子交换树脂去除其中的钠离子，得到硅酸水溶液；

4、步骤二、将金属硝酸盐和硼酸溶解成饱和水溶液，在磁力搅拌下将其加入到步骤一得到的硅酸水溶液中，得到掺杂均匀的透明混合溶液；

5、步骤三、将步骤二得到的透明混合溶液通过喷雾干燥，得到核壳结构的空心玻璃微珠前体微粒。

6、优选的是，所述步骤一中，水玻璃的模数为3.1～3.4；水玻璃与水的质量体积比为1g:3～5ml。

7、优选的是，所述步骤一中，阳离子交换树脂为大孔强酸性苯乙烯型阳离子交换树脂d001。

8、优选的是，所述步骤一中，阳离子交换树脂与水玻璃的质量比为1.5～2.5:1。

9、优选的是，所述步骤二中，磁力搅拌转速为500～700rpm。

10、优选的是，所述步骤二中，硼酸的用量根据目标空心玻璃微珠中b2o3的质量比计算。

11、优选的是，所述步骤二中，金属硝酸盐包括硝酸锂、硝酸钾、硝酸镁、硝酸钙、硝酸铝和硝酸钠。

12、优选的是，所述步骤二中，金属硝酸盐的用量根据目标空心玻璃微珠中相应氧化物的质量比计算。

13、优选的是，所述步骤三中，喷雾干燥的进风温度为180～400℃，进料速率为5～10％，进风风量为60～80％，空气流量500～700l/h。

14、优选的是，所述步骤一中，还包括：利用射频处理器辅助阳离子交换树脂去除钠离子；其中射频处理器的频率为27.12mhz、功率为6～9w、极板间距为100～140mm，时间为20～30min。

15、优选的是，所述步骤二中，还包括：对得到的透明混合溶液进行伽马射线辐照处理；其中辐照剂量率为600～800gy/min，时间为10～20min。

16、一种如上所述的制备方法制备的核壳结构的空心玻璃微珠前体微粒在制备空心玻璃微珠中的应用。

17、本发明至少包括以下有益效果：本发明在制备前体微粒时，在前体微粒内预先形成较大尺寸气孔，得到的核壳结构的空心玻璃微珠前体微粒，能够有效缩短发泡成球时熔体内小气泡向大气泡聚并的时间，减少发泡不完全的微珠，提高空心玻璃微珠成品率及产品性能。

18、本发明采用分子级的水玻璃作为主要原料，在溶液掺杂和喷雾干燥过程中完成了部分硅酸盐形成及交联反应，无需添加稳定分散剂，用化学键合作用取代了传统软化学法制备微粒的粘结聚集作用，增强了前体微粒的耐压强度。本发明采用溶液掺杂方式，提升了前体微粒的掺杂均匀性，进一步提高玻化成球过程中玻璃材料的微观均匀性，提升产品性能。

19、本发明在水玻璃与阳离子交换树脂反应时，利用射频处理器，促进物料间的物质和能量交换，从而加快反应过程，显著缩短离子交换时间；本发明在溶液掺杂过程中，对其进行伽马射线辐照处理，促进硅酸盐形成及交联反应，进一步增强前体微粒的耐压强度。

20、本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

技术特征：

1.一种核壳结构的空心玻璃微珠前体微粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种核壳结构的空心玻璃微珠前体微粒的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，水玻璃的模数为3.1～3.4；水玻璃与水的质量体积比为1g:3～5ml。

3.如权利要求1所述的一种核壳结构的空心玻璃微珠前体微粒的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，阳离子交换树脂为大孔强酸性苯乙烯型阳离子交换树脂d001。

4.如权利要求1所述的一种核壳结构的空心玻璃微珠前体微粒的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，阳离子交换树脂与水玻璃的质量比为1.5～2.5:1。

5.如权利要求1所述的一种核壳结构的空心玻璃微珠前体微粒的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，磁力搅拌转速为500～700rpm。

6.如权利要求1所述的一种核壳结构的空心玻璃微珠前体微粒的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，硼酸的用量根据目标空心玻璃微珠中b2o3的质量比计算。

7.如权利要求1所述的一种核壳结构的空心玻璃微珠前体微粒的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，金属硝酸盐包括硝酸锂、硝酸钾、硝酸镁、硝酸钙、硝酸铝和硝酸钠。

8.如权利要求1所述的一种核壳结构的空心玻璃微珠前体微粒的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，金属硝酸盐的用量根据目标空心玻璃微珠中相应氧化物的质量比计算。

9.如权利要求1所述的一种核壳结构的空心玻璃微珠前体微粒的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，喷雾干燥的进风温度为180～400℃，进料速率为5～10％，进风风量为60～80％，空气流量500～700l/h。

10.一种如权利要求1～9任一项所述的制备方法制备的核壳结构的空心玻璃微珠前体微粒在制备空心玻璃微珠中的应用。

技术总结
本发明公开了一种核壳结构的空心玻璃微珠前体微粒的制备及应用，包括：将水玻璃与水混合，然后用阳离子交换树脂去除其中的钠离子，得到硅酸水溶液；将金属硝酸盐和硼酸溶解成饱和水溶液，在磁力搅拌下加入到硅酸水溶液中，得到掺杂均匀的透明混合溶液，经喷雾干燥，得到核壳结构的空心玻璃微珠前体微粒。本发明在前体微粒内预先形成较大尺寸气孔，得到核壳结构的空心玻璃微珠前体微粒，能够有效缩短发泡成球时间，减少发泡不完全的微粒，提高空心玻璃微珠成品率及性能。本发明采用分子级的水玻璃作为主要原料，在过程中完成了部分硅酸盐形成及交联反应，用化学键合作用取代了传统软化学法制备微粒的粘结聚集作用，增强了前体微粒的耐压强度。

技术研发人员：石兆华,李波,刘道银,付真金,周晓燕,范志恒,李芳,刘亚辉,柳雷
受保护的技术使用者：中国工程物理研究院激光聚变研究中心
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10