二氧化硅制備與表征教材

納米二氧化硅的制備與表征

小組成員與與分工：林俊（演講）

胡成浪（ppt制作）馮家成（資料搜集）納米二氧化硅的制備與表征1研究課題：主要內(nèi)容一:引言——認識二氧化硅二：納米二氧化硅的制備1.制備納米二氧化硅實驗原理2.具體實驗方法和步驟3.實驗結(jié)果的分析和討論三：納米二氧化硅應用四：結(jié)語納米二氧化硅的制備與表征2一：引言——簡單認識納米二氧化硅

納米二氧化硅是指平均粒徑在1～100nm之間的顆粒,它是納米材料中的重要成員之一,因為其分散性好,有巨大的比表面積,光學性能和化學穩(wěn)定性優(yōu)良,使得與同組成的微米材料相比,具有許多奇異的性能,為材料科學與凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中的研究熱點,并廣泛應用于橡膠、工程塑料、涂料、膠粘劑、封裝材料和化妝品等行業(yè)。納米二氧化硅的制備與表征3納米二氧化硅的電鏡圖片納米二氧化硅的制備與表征4二：納米二氧化硅的制備

目前,制備納米二氧化硅最多的是采用：①氣相法②溶膠凝膠法因此：

下文將以堿性硅溶膠與無機酸為原料,加入分散劑阻止顆粒聚結(jié),在水和甲醇介質(zhì)中詳細研究了沉淀法的合成工藝條件,優(yōu)化出了配方和工藝,制備出成本低廉、工藝簡單、高比表積和純度高的納米級二氧化硅粉體。納米二氧化硅的制備與表征5用沉淀法制備超細二氧化硅雖然原料價廉、工藝簡單、易于工業(yè)化,具有很好的應用前景,但由于該法制備的納米二氧化硅的孔徑較小,反應條件較難控制沒能得到推廣。實驗部分試劑:堿性硅溶膠:ρ=1.19、pH=9.10、SiO2濃度為30%、粒度5～10nm,青島海洋化工集團;分散劑六偏磷酸鈉(NaAB),化學純試劑;分散劑C(高分子聚合物的鈉鹽)上海德謙化學有限公司工業(yè)品。儀器：JEM-2000EX型電子顯微鏡,日本電子公司生產(chǎn);TRIHTAR-3000全自動表面孔隙度分析儀,美國麥克公司;AVATAR370DTGS紅外光譜分析儀,美國熱電集團尼高力公司;ZETASIZER100HS型激光粒度儀,英國馬爾文儀器有限公司;高速粉碎機,天津泰斯特實驗儀器廠。納米二氧化硅的制備與表征6實驗部分制備方法：將堿性硅溶膠加入三口燒瓶中,加入計量的甲醇、去離子水和分散劑六偏磷酸鈉(NaAB),配成一定濃度的溶液,然后在一定的攪拌速度下,慢慢滴入適量的無機酸至所需要的酸度,水浴加熱至50～54℃,待體系的pH穩(wěn)定后,再加入定量的高分子分散劑C,在高速攪拌下繼續(xù)恒溫反應一定時間,得到適宜粒徑的硅溶膠,最后將該硅溶膠真空干燥5h以上,將得到的白色固體在高速粉碎機中研磨1min,經(jīng)700目篩網(wǎng)篩分后的產(chǎn)品進行性能測定,并計算產(chǎn)率。納米二氧化硅的制備與表征7實驗結(jié)果與討論

（1）分散劑和溶液酸度對產(chǎn)物性能的影響分散劑的種類、用量和溶液pH值對產(chǎn)品的影響見下表

納米二氧化硅的制備與表征8實驗結(jié)果與討論表1表明:僅加入一種分散劑六偏磷酸鈉,SiO2粉體的粒徑較大,納米級二氧化硅生成率低;六偏磷酸鈉與分散劑C同時并用,SiO2粉體的粒徑變小,700目篩網(wǎng)篩分率增加,顆粒尺寸大多數(shù)屬納米級(圖1)

納米二氧化硅的制備與表征9原理

六偏磷酸鈉包覆在納米二氧化硅顆粒表面,使粒子間帶有相同的電荷而排斥,減少聚沉。但由于六偏磷酸鈉體積較小,僅用六偏磷酸鈉分散劑形成的雙電層難于有效阻止帶電粒子團聚,而配合使用高分子鹽分散劑C,對納米二氧化硅顆粒包覆形成的空間位阻作用與具有雙電層結(jié)構(gòu)的六偏磷酸鈉協(xié)同作用,才能產(chǎn)生有效阻聚作用。高分子穩(wěn)定劑的穩(wěn)定機理主要是其結(jié)構(gòu)中的高分子陰離子具有空間位阻斥力,且能形成一定厚度的雙電層。高分子鹽分散劑的粒子在相互接近時產(chǎn)生兩種情況吸附層被壓縮而不發(fā)生相互滲透;吸附層能發(fā)生相互滲透、互相重疊。這兩種情況都導致體系能量升高,自由能增大。第一種情況由于高分子失去結(jié)構(gòu)熵而產(chǎn)生熵斥力位能;第二種情況由于重疊區(qū)域濃度升高產(chǎn)生滲透斥力和混合斥力位能,因而導致吸附了高分子的原生粒子再發(fā)生團聚的難度,保持體系的穩(wěn)定。納米二氧化硅的制備與表征10實驗結(jié)果與討論納米二氧化硅的制備與表征11

從前面的表1和圖2也可看出,溶液的pH值影響硅溶膠穩(wěn)定性,也是影響產(chǎn)品顆粒大小的重要因素。在合適的分散劑存在條件下,溶液的pH=7.5～8才能得到高產(chǎn)率且粒徑小于40nm二氧化硅粉體。這個實驗結(jié)果可從圖2加以說明[9]。pH=8～9范圍為溶膠的穩(wěn)定區(qū),pH=5～7為不穩(wěn)定區(qū),pH值4以下為介穩(wěn)區(qū)域,因此,我們選擇反應時的pH=7.5～8PH對產(chǎn)品顆粒的影響實驗結(jié)果與討論納米二氧化硅的制備與表征12硅溶膠的濃度對二氧化硅的影響表2表明,在其他條件不變的情況下,硅溶膠的濃度較低時(<20%),反應后的體系是穩(wěn)定的溶膠體系,在反應和陳化過程中無沉淀或凝膠產(chǎn)生。其濃度越大,微粒之間的碰撞幾率越大,越易出現(xiàn)沉淀或凝膠;硅溶膠的濃度>20%時易出現(xiàn)沉淀,濃度>30%時易出現(xiàn)凝膠。實驗結(jié)果與討論根據(jù)雙電層理論,在靜電斥力作用下,一個不完全均衡的電荷分布總是存在于粒子表面,當靜電斥力大于范德華力時,易形成穩(wěn)定的分散體系。這種穩(wěn)定體系對于稀溶液和有極性的有機介質(zhì)是有效的。但隨著溶膠濃度的增大,膠團互相碰撞的次數(shù)增加,聚集成大顆粒的機會增多,溶膠的穩(wěn)定性降低,因而加速了溶膠的聚沉。雖然低濃度下合成的粒子粒徑小,單分散性能較好,但反應物濃度過低將導致產(chǎn)率不高。為保證粒子性能又要兼顧產(chǎn)率,可選初始反應物濃度為10～20%納米二氧化硅的制備與表征13理論解釋實驗結(jié)果與討論納米二氧化硅的制備與表征14反應溫度對納米二氧化硅產(chǎn)率的影響圖3表明:納米二氧化硅的產(chǎn)率受反應溫度的影響,反應溫度為50℃時產(chǎn)率最高,為97%左右。溫度還影響二氧化硅溶膠的電離平衡及溶解度,同時還影響溶液中的過飽和度。實驗結(jié)果與討論納米二氧化硅的制備與表征15反應時間對納米二氧化硅的影響實驗證明反應時間為40-45min時得到的納米二氧化硅的粒徑最小,分布最好,此時粒子成長為納米級,因此,確定反應時間為45min。三：納米二氧化硅的實際應用納米二氧化硅（VK-SP30）的粒徑僅為幾十納米，具有很高的硬度和很好的穩(wěn)定性，其熔、沸點也很高，具有良好的化學惰性和熱力穩(wěn)定性。應用范圍廣泛納米二氧化硅的制備與表征16陶瓷材料：納米陶瓷、復合陶瓷基片、功能陶瓷等，可以提高陶瓷制品的韌性、光潔度人造莫來石：具有高的導熱特性和良好的力學性能，是電子工業(yè)封裝材料的最佳原材料之一；粘結(jié)劑：納米二氧化硅（VK-SP30）小顆粒形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，抑制膠體流動，提高固化速率，提高粘結(jié)效果，同時增加了膠的密封性能；實際應用納米二氧化硅的制備與表征17橡膠改性：通過控制SiO2的顆粒尺寸，以制備抗紫外輻射的橡膠、紅外反射橡膠、高絕緣性橡膠等；涂料：利用納米二氧化硅（VK-SP30）透明性和對紫外光的吸收特性;塑料改性：用作塑料的補強劑，使塑料變得很致密，提高了薄膜的透明度、強度和韌性，大大提高防水性能；其它：用作人造牙齒，紙張表面涂層(瓷土)、建筑及防水材料等。實際應用納米二氧化硅的制備與表征18納米二氧化硅產(chǎn)品圖片四：結(jié)語

沉淀法制備納米二氧化硅,以濃度10～20%堿性硅溶膠為原料,以六偏磷酸鈉、分散劑C為分散穩(wěn)定劑,在水和甲醇混合介質(zhì)中用無機酸調(diào)節(jié)體系的pH為7.5～8.0,50℃下反應約45min,得到納米級二氧化硅溶膠,經(jīng)真空脫水干燥篩分,得到純度99%以上的納米級二氧化硅粉體。該方法的最佳工藝條件是:反應溫度為50℃、pH=7.5～8.0、反應體系的濃度為10～20%、反應時間