专利名称：一种制备纳米硅微粉的方法
技术领域：
本发明涉及纳米粉体的制备方法，具体而言为涉及一种通过湿法研磨、分离、分散和干燥等工艺过程制备纳米硅微粉的方法。
背景技术：
纳米硅微粉(或纳米二氧化硅)具有许多独特的性质，如量子尺寸、量子隧道效应，特殊的光、电特性与高磁阻现象，非线性电阻现象以及高温下的高强、高韧、高稳定性等。这些性质使它具有抗紫外线的光学性能，可提高材料的强度、弹性、抗老化性和耐化学性，具有吸附色素离子、降低色素衰减的作用。因此，纳米硅微粉可广泛应用于催化剂载体、高分子复合材料、电子封装材料、精密陶瓷材料、橡胶、造纸、塑料、粘结剂、涂料、光导纤维、精密铸造等产品中，几乎涉及所有应用硅微粉的行业。
目前常用的纳米硅微粉制备方法是溶胶-凝胶法。典型的工艺是利用钠水玻璃和酸反应，通过分散剂或者超声分散的方法获得硅溶胶，然后通过真空干燥或者冷冻加真空干燥，再进行煅烧、研磨，最终获得纳米硅微粉。总体来看，该制备方法工艺过程复杂、制备成本高，在很大程度上制约了纳米硅微粉的推广应用。因此，寻找工艺简单、成本低廉的纳米硅微粉制备方法具有重要的经济效益和社会效益。对石英粉进行超细粉碎，是获得纳米硅微粉的可能工艺之一。目前采用的机械粉碎方法，是通过超细粉碎机械产生的冲击、剪切、摩擦等力的综合作用对大颗粒二氧化硅进行超细粉碎，然后利用高效分组装置分离不同粒径的颗粒，从而实现纳米二氧化硅粉末粒度分布的均匀化与特定化。该方法的生产工艺简单、生产量大，生产过程易于控制，但对原料要求较高，且随着粒度减小，颗粒因表面能增大而团聚，难以进一步縮小粉体颗粒粒径。为了解决这一矛盾，任振等(化工学报，2006， 57(1):210 213.)将功率超声与搅拌粉碎相结合，利用研磨介质互相碰撞产生的挤压、剪切、冲击等作用，以及超声空化作用产生的高能冲击波和微射流的共同作用，使一定浓度的原料在粉碎筒中被同步粉碎与分散。该方法综合了功率超声与机械搅拌粉碎的优点，使产品易于达到纳米级且分布窄。然而，由于
制备工艺的限制，形成的纳米颗粒非常容易团聚，给产品的分级和使用造成了很大的困难。对石英粉超细粉碎工艺进行改进，将有望开发出新型高效、低成本纳米硅微粉制备方法。
发明内容
针对目前的纳米硅微粉制备工艺普遍存在的工艺过程复杂、制备成本高的问题，本 发明提出一种采用石英粉湿法研磨、分散和干燥等工艺过程制备纳米硅微粉的方法。本 发明充分利用石英粉在研磨过程中出现新鲜断键，而断键容易与分散剂结合的特性，实 现纳米硅微粉的制备。
具体而言，本发明的步骤为
将经粗粉碎的二氧化硅质量分数不低于99.5%的石英砂原料进行磁选、酸洗去除杂
质，然后进行湿法研磨，获得研磨浆经磁选除铁后自然沉淀，再通过机械方法分离沉淀
物，沉淀物送回湿法研磨环节重新参与研磨；同时，在去除沉淀物的悬浮物浆料中加入 分散剂，采用高能超声分散，并对悬浮液压滤获得滤饼；采用超细研磨方法对滤饼进行 研磨，通过离心分离加速沉淀，分离出超细研磨沉淀物，送回超细研磨环节重新参与研 磨；去除沉淀物的超细研磨浆料，通过压滤获得滤饼，干燥获得纳米硅微粉；通过调节 离心分离速度实现纳米硅微粉的粒度分级。
所述的酸洗去除杂质工艺为，选择二氧化硅质量分数不低于99.5%的石英砂(粒度 不大于50目)为原料，加入工业盐酸(HC1含量不低于3P/。)，盐酸溶液没过石英砂， 浸泡5 10小时后，去除酸液并用清水反复漂洗，直至氯离子含量低于0.1%。
所述的湿法研磨为釆用球磨机或搅拌研磨机，将经过磁选、酸洗的石英砂研磨至
Soo目。
所述的磁选除铁为，将湿法研磨浆料通过磁选机脱除游离铁。
所述的悬浮物浆料分散剂为，加入量为悬浮物浆料体积3~6%的聚乙二醇 (PEG200 400)、十二烷基苯磺酸钠或吐温-80。
所述的高能超声分散为，采用功率超声对加入分散剂的悬浮物浆料进行处理，处理 功率为0.5 1.5KW，时间为2 5min，功率大时处理的时间可以适当变短。
所述的悬浮液压滤为，采用厢式压滤机、板框压滤机或带式压滤机对湿法粉体进行 压滤。'
所述的超细研磨为，采用高能球磨、超音速研磨等超细研磨方法，将压滤滤饼研磨 至3000 4000目。
所述的纳米硅微粉粒度分级是，要获得尺寸较小的纳米硅微粉，则提高离心分离速 度；反之则降低离心分离速度。
5本发明所涉及的技术方法，具有如下优点-
1、 工艺简单，操作方便，适合工业规模连续生产。
2、 纳米硅微粉尺寸可控，便于生产不同规格的产品。
3、 生产成本低，有利于纳米硅微粉的推广应用。 通过上述技术方法，可以成功生产出纳米硅微粉。
图1所制备的纳米硅微粉的透射电镜照片 实施方法
根据本发明所述技术方案，选取具体实施例进行说明如下-实施例l
选择二氧化硅质量分数不低于99.5%的石英砂(粒度50目)为原料，加入工业盐 酸(合格品，HC1含量3P/。，盐酸没过石英砂)浸泡10小时后，去除酸液并用清水反 复漂洗，直至氯离子含量低于0.1%。采用球磨机湿法研磨至800目，获得研磨桨通过 磁选机脱除游离铁后自然沉淀，再通过机械方法分离沉淀物，沉淀物送回湿法研磨环节 重新参与研磨。在去除沉淀物的悬浮物浆料中加入3% (体积浓度)的聚乙二醇 (PEG200)，采用0.5 KW高能超声分散5min，并对悬浮液压滤获得滤饼，并采用高能 球磨方法对滤饼进行研磨至约3000目。通过离心分离机加速沉淀，分离出超细研磨沉 淀物，送回超细研磨环节重新参与研磨。去除沉淀物的超细研磨浆料，通过压滤获得滤 饼，通干燥空气千燥获得纳米硅微粉。纳米硅微粉的透射电镜照片如图1，硅微粉尺寸 为80 100nm。从图中还可以看出，纳米硅微粉颗粒粘连少，分散性好。
实施例2
选择二氧化硅质量分数不低于99.5%的石英砂(粒度75目)为原料，加入工业盐 酸(一级品，HC1含量33。/。，盐酸没过石英砂)浸泡8小时后，去除酸液并用清水反复 漂洗，直至氯离子含量低于0.1%。采用球磨机湿法研磨至约900目，获得研磨浆通过 磁选机脱除游离铁后自然沉淀，再通过机械方法分离沉淀物，沉淀物送回湿法研磨环节 重新参与研磨。在去除沉淀物的悬浮物浆料中加入4% (体积含量)的十二烷基苯磺酸 钠，采用1.0KW高能超声分散3min，并对悬浮液压滤获得滤饼，并采用高能球磨方法对滤饼进行研磨至约3500目。通过离心分离机加速沉淀，分离出超细研磨沉淀物，送 回超细研磨环节重新参与研磨。去除沉淀物的超细研磨浆料，通过压滤获得滤饼，通干 燥空气干燥获得尺寸,60~100nm的纳米硅微粉。
实施例3
选择二氧化硅质量分数不低于99.5%的石英砂(粒度100目)为原料，加入工业盐 酸(一级品，HC1含量33。/。，盐酸没过石英砂)浸泡5小时后，去除酸液并用清水反复 漂洗，直至氯离子含量低于0.1%。采用球磨机湿法研磨至约1000目，获得研磨浆通过 磁选机脱除游离铁后自然沉淀，再通过机械方法分离沉淀物，沉淀物送回湿法研磨环节 重新参与研磨。在去除沉淀物的悬浮物浆料中加入6% (体积含量)的吐温-80，采用1.5 KW高能超声分散2min，并对悬浮液压滤获得滤饼，并采用超音速研磨方法对滤饼进行 研磨至约4000目。通过离心分离机加速沉淀，分离出超细研磨沉淀物，送回超细研磨 环节重新参与研磨。去除沉淀物的超细研磨浆料，通过压滤获得滤饼，通干燥空气干燥 获得尺寸为50~90nm的纳米硅微粉。
权利要求
1、一种制备纳米硅微粉的方法，具体步骤为将经粗粉碎的二氧化硅质量分数不低于99.5％的石英砂原料进行磁选、酸洗去除杂质，然后进行湿法研磨，获得研磨浆经磁选除铁后自然沉淀，再通过机械方法分离沉淀物，沉淀物送回湿法研磨环节重新参与研磨；同时，在去除沉淀物的悬浮物浆料中加入分散剂，采用高能超声分散，并对悬浮液压滤获得滤饼；采用超细研磨方法对滤饼进行研磨，通过离心分离加速沉淀，分离出超细研磨沉淀物，送回超细研磨环节重新参与研磨；去除沉淀物的超细研磨浆料，通过压滤获得滤饼，干燥获得纳米硅微粉；通过调节离心分离速度实现纳米硅微粉的粒度分级。
2、 权利要求1所述的一种制备纳米硅微粉的方法，其特征在于酸洗去除 杂质工艺为选择二氧化硅质量分数不低于99.5%的石英砂为原料，石英砂粒度 不大于50目，加入工业盐酸，工业盐酸中HC1的含量不低于31。/。，盐酸溶液没 过石英砂，浸泡5 10小时后，去除酸液并用清水反复漂洗，直至氯离子含量低 于0.1%。
3、 权利要求1所述的一种制备纳米硅微粉的方法，其特征在于湿法研磨为采用球磨机或搅拌研磨机，将经过磁选、酸洗的石英砂研磨至800目。
4、 权利要求1所述的一种制备纳米硅微粉的方法，其特征在于磁选除铁 为将湿法研磨浆料通过磁选机脱除游离铁。
5、 权利要求1所述的一种制备纳米硅微粉的方法，其特征在于悬浮物浆料分散剂为加入量为悬浮物浆料体积3~6%的PEG200 400、十二烷基苯磺酸 钠或吐温-80。
6、 权利要求1所述的一种制备纳米硅微粉的方法，其特征在于高能超声 分散为采用功率超声对加入分散剂的悬浮物浆料进行处理，处理功率为 0.5~1.5KW，时间为2 5min。
7、 权利要求1所述的一种制备纳米硅微粉的方法，其特征在于悬浮液压滤为采用厢式压滤机、板框压滤机或带式压滤机对湿法粉体进行压滤。
8、 权利要求1所述的一种制备纳米硅微粉的方法，其特征在于超细研磨为采用高能球磨或超音速研磨，将压滤滤饼研磨至3000 4000目。
9、 权利要求1所述的一种制备纳米硅微粉的方法，其特征在于纳米硅微 粉粒度分级是，要获得尺寸较小的纳米硅微粉，则提高离心分离速度；反之则降低离心分离速度。
10、权利要求1所述的制备方法制备出的纳米硅微粉的粒度尺寸为50 100 nm。
全文摘要
一种制备纳米硅微粉的方法，涉及纳米粉体的制备技术领域。具体为将经粗粉碎的二氧化硅质量分数不低于99.5％的石英砂原料进行磁选、酸洗去除杂质，然后进行湿法研磨，获得研磨浆经磁选除铁后自然沉淀，再通过机械沉降方法分离沉淀物，沉淀物送回湿法研磨环节重新参与研磨；同时，在去除沉淀物的悬浮物浆料中加入分散剂，采用高能超声分散，并对悬浮液压滤获得滤饼，采用超细研磨方法对滤饼进行研磨，通过离心分离加速沉淀，分离出超细研磨沉淀物，送回超细研磨环节重新参与研磨；去除沉淀物的超细研磨浆料，通过压滤获得滤饼，干燥获得纳米硅微粉；通过调节离心分离速度实现纳米硅微粉的粒度分级。本发明工艺简单，操作方便，适合工业规模连续生产；纳米硅微粉尺寸可控，便于生产不同规格的产品。
文档编号B82B3/00GK101659393SQ20091018417
公开日2010年3月3日 申请日期2009年8月21日 优先权日2009年8月21日
发明者王国路, 赵玉涛, 刚 陈 申请人:江苏大学