一种高纯纳米球形二氧化硅的制备方法

技术领域

本发明适用于纳米二氧化硅制备技术领域，提供了一种高纯纳米球形二氧化硅的制备方法。

背景技术

纳米球形二氧化硅也称纳米球形硅微粉，是一种无毒、无味、无污染的无定型白色粉末,粒径通常为1nm-100nm,由于其具备粒径小、纯度高、分散性好、比表面积大、导热系数低、热膨胀系数低、化学性能稳定、耐腐蚀等优越性能而具有广阔的发展前景。纳米球形二氧化硅主要应用于大规模集成电路封装,液体灌封胶、芯片粘接、基板材料、绝缘材料，用填料在航空、航天、涂料、油漆、粘结剂、催化剂、医药、精密铸造、高档陶瓷、高压元器件及日用化妆品等高新技术领域也有应用，因此,硅微粉的纳米球形化已成为粉体材料研究的关键点。目前,制备纳米级球形二氧化硅的方法有很多种,主要可分为气、液、固相三类。气相法主要是利用四氯化硅在高温氢氧焰下水解生成纳米球形氧化硅，制备的纳米球形氧化硅称为气相白炭黑，这种纳米氧化硅的球形率差、球形颗粒不均匀，纳米颗粒团聚严重，分散粒度达到几微米到几十微米，分散使用时无法达到纳米级原始颗粒分散；固相法主要包括高温熔融法和等离子体法；液相法主要包括化学沉淀法、溶胶-凝胶法和微乳液法。液相法制备的纳米球形氧化硅也存在严重团聚的现象，专利CN114408934A中利用有机硅和水水解，经过干燥-破碎-煅烧-研磨-过筛等工序，制备纳米氧化硅团聚无法达到纳米级分散使用。专利CN101125655A中也是利用有机硅水解、溶胶－凝胶化，再将凝胶烘干，高温处理，即得到大量白色的纳米球状二氧化硅粉体，纳米球形二氧化硅合成的浆料中含有水分和羟基，干燥、煅烧过程必然导致纳米球形颗粒的团聚，最终产品是纳米粒子的团聚体，即使后续各种破碎工艺也无法完全使纳米颗粒分散，使粉体后续使用无法完全分散，达不到纳米级颗粒应用条件，如何解决纳米球形二氧化硅的团聚问题是目前纳米球形二氧化硅制备和使用的关键问题。

发明内容

为此，本发明提供一种高纯纳米球形二氧化硅的制备方法，通过在液相合成反应制备和液体浆料脱水、粉体表面改性处理等工艺，得到粒度分布均匀、球形度高、纯度高、球形纳米粒子无团聚的高纯二氧化硅粉体。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案:

一种高纯纳米球形二氧化硅的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1:将1份有机硅烷或有机硅烷的水解物缓慢加入到含有催化剂的水醇混合物中，含有催化剂的水醇混合物份数为1份-100份，加入过程中不停搅拌，使混合反应均匀得到混合浆料；

S2：将S1中制得的混合浆料陈化1小时-10小时，使反应完全进行，最终得到10纳米-100纳米的球形二氧化硅浆料；

S3：将上述制得的球形二氧化硅浆料通过超滤膜过滤设备，在超滤膜过滤设备中利用有机溶剂超滤置换出球形二氧化硅浆料中的水分，而置换出来的水份呵有机溶剂的混合物可以同时回收然后经过提纯后继续使用；

S4:当S3中制得的球形二氧化硅浆料中的水分含量小于等于1％之后，向球形二氧化硅浆料添加有机硅烷偶联剂，并反应2小时-12小时，使有机硅烷偶联剂吸附在二氧化硅颗粒的表面；

S5:将S4中制得的球形二氧化硅浆料在60摄氏度-200摄氏度温度下干燥1小时-12小时，最终得到松散无团聚的纳米球形二氧化硅，纳米球形二氧化硅在各种有机溶剂中缓慢搅拌即可完全分散，分散粒度与原始粒度一致。

优选的，所述S1步骤中有机硅烷为甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、硅酸乙酯或硅酸甲酯其中的一种，有机硅烷的水解物为甲基三甲氧基硅烷的水解物、甲基三乙氧基硅烷的水解物、二甲基二甲氧基硅烷的水解物、硅酸乙酯的水解物或硅酸甲酯的水解物其中的一种，所述S1步骤中含有催化剂的水醇混合物的水醇比为0.01:1～100：1，前述的水醇混合物中水的含量越高，得到的球形二氧化硅粒径越小。

优选的，所述S3步骤中有机溶剂包括甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇、乙二醇、丙二醇单甲醚等有机极性溶剂或者它们的混合物。

优选的，所述S4步骤中有机硅烷偶联剂包括含有乙烯基、丙烯基、苯乙烯基、环氧基、甲基丙烯酰氧丙基、氨基、丙烯酰氧丙基、脲基丙基、异氰酸酯丙基等官能团的其中一种或多种的有机硅烷偶联剂。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的方案通过在液相合成反应制备和液体浆料脱水、粉体表面改性处理等工艺，得到粒度分布均匀、球形度高、纯度高、球形纳米粒子无团聚的高纯二氧化硅粉体，本发明制备的球形二氧化硅粉体更加容易地分散到有机试剂中达到纳米级的原始粒度分散，并且球形纳米氧化硅表面含有特殊官能团，有利于和其他的基体复合。

附图说明

图1为本发明中实施例1中的制得的纳米球形二氧化硅放大30000倍的扫描图片；

图2为本发明中实施例1中的制得的纳米球形二氧化硅放大50000倍的扫描图片；

图3为本发明中实施例2中的制得的纳米球形二氧化硅放大30000倍的扫描图片；

图4为本发明中实施例2中的制得的纳米球形二氧化硅放大50000倍的扫描图片.

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，一种高纯纳米球形二氧化硅的制备方法，包括如下步骤：

S1:将1份甲基三甲氧基硅烷的水解物缓慢加入到50份含有催化剂的水醇混合物中，其中，含有催化剂的水醇混合物的水醇比为50：1，加入过程中不停搅拌，使混合反应均匀得到混合浆料；

S2：将S1中制得的混合浆料陈化10小时，使反应完全进行，最终得到40纳米级别的球形二氧化硅浆料；

S3：将上述制得的球形二氧化硅浆料通过超滤膜过滤设备，在超滤膜过滤设备中利用甲醇溶剂超滤置换出球形二氧化硅浆料中的水分；

S4:当S3中制得的球形二氧化硅浆料中的水分含量小于等于1％之后，向球形二氧化硅浆料添加包含乙烯基官能团的有机硅烷偶联剂，并反应10小时-12小时，使有机硅烷偶联剂吸附在二氧化硅颗粒的表面；

S5:将S4中制得的球形二氧化硅浆料在150摄氏度的温度下干燥10小时-12小时，最终得到松散无团聚的40纳米级球形二氧化硅粉；

最终制得的40纳米级球形二氧化硅粉分别在30％含量的乙醇溶剂、30％含量的异丙醇溶剂、20％含量的丁酮溶剂以及20％含量的二甲基甲酰胺溶剂中缓慢搅拌均可完全分散为淡蓝色混合液且无任何沉淀，分散颗粒粒度与原始浆料颗粒粒度通过SEM对比，粒度大小一致。

实施例2，一种高纯纳米球形二氧化硅的制备方法，包括如下步骤：

S1:将1份甲基三乙氧基硅烷的水解物缓慢加入到10份含有催化剂的水醇混合物中，其中，含有催化剂的水醇混合物的水醇比为10：1，加入过程中不停搅拌，使混合反应均匀得到混合浆料；

S2：将S1中制得的混合浆料陈化10小时，使反应完全进行，最终得到80纳米级别的球形二氧化硅浆料；

S3：将上述制得的球形二氧化硅浆料通过超滤膜过滤设备，在超滤膜过滤设备中利用甲醇溶剂超滤置换出球形二氧化硅浆料中的水分；

S4:当S3中制得的球形二氧化硅浆料中的水分含量小于等于1％之后，向球形二氧化硅浆料添加包含乙烯基官能团的有机硅烷偶联剂，并反应10小时-12小时，使有机硅烷偶联剂吸附在二氧化硅颗粒的表面；

S5:将S4中制得的球形二氧化硅浆料在200摄氏度的温度下干燥10小时-12小时，最终得到松散无团聚的80纳米级球形二氧化硅粉；

最终制得的80纳米级球形二氧化硅粉分别在30％含量的乙醇溶剂、30％含量的异丙醇溶剂、20％含量的丁酮溶剂以及20％含量的二甲基甲酰胺溶剂中缓慢搅拌均可完全分散为乳白色混合液且无任何沉淀，分散颗粒粒度与原始浆料颗粒粒度通过SEM对比，粒度大小一致。

以上，仅是本发明的较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案对本发明加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。