一种低介电损耗二氧化硅微球及制备方法

技术领域

本发明涉及无机非金属材料制备技术领域，具体提供一种低介电损耗二氧化硅微球及制备方法。

背景技术

材料是现代科学技术的三大支柱之一，特别是在世界科学技术高速发展的今天，材料科学的重要性逐渐凸显。二氧化硅材料是一种化学性质稳定，无毒污染的无机非金属材料，二氧化硅是制造玻璃、石英玻璃、水玻璃、光导纤维、电子工业的重要部件、光学仪器、工艺品和耐火材料的原料，是科学研究的重要材料。具有导热高，热膨胀系数低，介电系数低等特征。

单分散球形SiO2由于比表面积大、密度小、分散性好，同时又具有良好的光学以及力学特性，因而在生物医学、催化、功能材料、高性能陶瓷、涂料、复合材料、记录材料、传感器、吸附剂、化妆品、色谱柱填剂、光电学、数据储存、医学诊断以及免疫测定等相关材料和领域有着重要应用

目前有多种二氧化硅微球的制备方法，如微乳液法、沉淀法、水热法、溶胶凝胶法、高能球磨法等。

对于各制备方法受限于各自原料与优缺点，寻找优质高效的二氧化硅微球的制备工艺依然是目前需要突破与研究的重要方向。

发明内容

模板法是以球体原料作为过程中控制形态的试剂，产物通常空心，或是核壳结构。主要工艺过程通常是以聚苯乙烯微球为模板剂，用前驱体纳米粒子包覆，再通过甲苯洗涤，制备空心氧化硅球体，但此方法对模板剂要求较高，制备过程步骤多，不易操作。

本发明的技术任务是针对上述存在的问题，提供一种低介电损耗二氧化硅微球及制备方法。

一种低介电损耗二氧化硅微球制备方法，所述方法利用硅源前驱体在酸性条件下缓慢水解缩聚形成共聚体，在聚苯乙烯粉颗粒表面汇聚得到球形形貌的二氧化硅；

将球形形貌的二氧化硅干燥后煅烧得到二氧化硅空心微球；

将二氧化硅空心微球高温加热，使其融化成球，去除开口气孔，得到介电系数低、介电损耗小的二氧化硅微球，所制备的二氧化硅微球是良好的电介质材料。

前驱体是获得目标产物前的一种存在形式，大多是以有机-无机配合物或混合物固体存在，也有部分是以溶胶形式存在。"前驱体"是用来合成、制备其他物质的经过特殊处理的配合料。

火焰熔融法是直接将形貌不规则的氧化硅粉喷入火焰中，使氧化硅粉在火焰中熔化成球，此种方法工艺简单，球化出的产品导热率高，球形度好，粒度可控。

所述方法的实现包括步骤如下：

(1)将聚苯乙烯粉制备成模板剂，添加硅源前驱体，搅拌均匀，加热，利用硅源前驱体在聚苯乙烯粉颗粒上水解并生成二氧化硅覆盖于聚苯乙烯粉颗粒上；

(2)将步骤(1)制得的反应液干燥，煅烧制备氧化硅空心微球；

(3)将氧化硅空心微球在1700-2100℃下高温加热，使空心球获得球形度好，粒度均匀的形貌。

所述硅源前驱体为四甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷或者四氯化钙中的一种或多种的混合物，浓度为0.01-1mol/L，进一步优选的，硅源前驱体的浓度为0.05-0.2mol/L。

所述步骤(1)中聚苯乙烯粉颗粒的粒度为1-10微米，进一步优选的，粒度为3-8微米，加热温度为30-60℃，进一步优选的，反应温度为40-50℃。

所述步骤(2)中煅烧温度为500-700℃，煅烧时间为2-8h；进一步优选的煅烧温度为550-650℃，煅烧时间为3-6h。

所述步骤(3)中氧化硅空心微球由上往下喷入微波等离子或氢氧焰加热设施进行高温加热。

所述步骤(1)制得的反应液在干燥、煅烧前经过离心处理；

用去离子水洗涤后烘干，使用甲苯洗涤去除模板剂后，用去离子水洗涤后烘干，煅烧。

所述步骤(1)中将聚苯乙烯粉颗粒制备成模板剂的过程如下：

取聚苯乙烯粉颗粒用乙醇、去离子水洗涤后，分散于去离子水中，调节pH值至0～6，得到聚苯乙烯悬浮液的模板剂。

所述聚苯乙烯悬浮液中的聚苯乙烯的浓度为1-50mg/mL，进一步优选的，聚苯乙烯悬浮液中的聚苯乙烯的浓度为5-20mg/mL。

一种低介电损耗二氧化硅微球，所述二氧化硅微球采用上述任一所述的方法制备。

与现有技术相比，本发明一种低介电损耗二氧化硅微球及制备方法具有以下突出的有益效果：

本发明利用模板法与火焰熔融法相结合技术制备二氧化硅微球，由于使用分步合成，因此对于模板法制备出的产品的品质控制要求降低，即使存在开口气孔球形度不好等问题，通过火焰法成球过程之后都可以获得球形度好、粒度均匀的空心球结构，制备出二氧化硅空心球介电常数低，介电损耗小。

附图说明

图1为本发明二氧化硅空心微球电镜图。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明作进一步详细说明。

实施例1

一种低介电损耗二氧化硅微球制备方法，步骤如下：

(1)使用模板法制备空心二氧化硅颗粒

将1g聚苯乙烯粉使用乙醇和去离子水洗涤，干燥后溶解到30mL去离子水中，超声分散30min；

将所得的聚苯乙烯粉分散液用盐酸溶液调节pH至3，搅拌均匀稀释到10mg/mL；

向聚苯乙烯悬浮液中加入四甲氧基硅烷，使溶液中四甲氧基硅烷最终浓度达到0.1mol/L，加热至40℃搅拌反应24h；

将所得的反应液离心，用去离子水洗涤后烘干；

使用甲苯洗涤除去聚苯乙烯模板后，用去离子水洗涤后烘干，放入马弗炉中600℃煅烧3h，得到空心球形貌二氧化硅颗粒。

(2)使用火焰熔融法优化二氧化硅空心球

将二氧化硅空心球颗粒自上而下喷入微波等离子加热设备，空心球颗粒经2050℃高温后迅速冷却，去除开口气孔等缺陷，使其球形度更好，得到低介电损耗、粒度均匀、球形度好的二氧化硅空心微球，如图1所示。

实施例2

(1)使用模板法制备空心二氧化硅颗粒

将1g聚苯乙烯粉使用乙醇和去离子水洗涤，干燥后溶解到20mL去离子水中，超声分散30min；

将所得的聚苯乙烯粉分散液用盐酸溶液调节pH至5，搅拌均匀稀释到30mg/mL；

向聚苯乙烯悬浮液中加入四乙氧基硅烷，使溶液中四乙氧基硅烷最终浓度达到0.15mol/L，加热至50℃搅拌反应24h；

将所得的反应液离心，用去离子水洗涤后烘干；

使用甲苯洗涤除去聚苯乙烯模板后，用去离子水洗涤后烘干，放入马弗炉中700℃煅烧5h，得到空心球形貌二氧化硅颗粒。

(2)使用火焰熔融法优化二氧化硅空心球

将二氧化硅空心球颗粒自上而下喷入微波等离子加热设备，空心球颗粒经2100℃高温后迅速冷却，去除开口气孔等缺陷，使其球形度更好，得到低介电损耗、粒度均匀、球形度好的二氧化硅空心微球。

实施例3

(1)使用模板法制备空心二氧化硅颗粒

将1g聚苯乙烯粉使用乙醇和去离子水洗涤，干燥后溶解到50mL去离子水中，超声分散30min；

将所得的聚苯乙烯粉分散液用盐酸溶液调节pH至2，搅拌均匀稀释到50mg/mL；

向聚苯乙烯悬浮液中加入四氯化硅，使溶液中四氯化硅最终浓度达到0.05mol/L，加热至30℃搅拌反应24h；

将所得的反应液离心，用去离子水洗涤后烘干；

使用甲苯洗涤除去聚苯乙烯模板后，用去离子水洗涤后烘干，放入马弗炉中500℃煅烧3h，得到空心球形貌二氧化硅颗粒。

(2)使用火焰熔融法优化二氧化硅空心球

将二氧化硅空心球颗粒自上而下喷入微波等离子加热设备，空心球颗粒经1800℃高温后迅速冷却，去除开口气孔等缺陷，使其球形度更好，得到低介电损耗、粒度均匀、球形度好的二氧化硅空心微球。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。