一种单分散纳米二氧化硅透明分散体的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种单分散纳米二氧化硅透明分散体的制备方法，包括如下步骤：准备内循环超重力旋转填充床反应器，将恒温的换热介质由夹套进口持续通入控温夹套中，再由控温夹套出口流出，使反应器温度保持在30‑80℃；将去离子水、反应介质、催化剂混合后在常温下搅拌3‑6min，记为料液A；将硅源和反应介质混合后在常温下搅拌3‑6min，记为料液B；将料液通过进料口加入内循环RPB的腔体中反应；反应20‑90min后，停止电机，将产物从出料口中流出，即得产物。该制备方法工艺简单、二氧化硅纳米粒子粒径可控、粒子均匀度高、形貌规整、纯度高、反应时间短，存放10个月无沉淀，粒径1‑130nm。

Preparation of Monodisperse Nano-SiO_2 Transparent Dispersion

The invention discloses a preparation method of monodisperse nano-silica transparent dispersion, which comprises the following steps: preparing an internal circulation high gravity rotating packed bed reactor, continuously feeding the constant temperature heat transfer medium into the temperature control jacket from the jacket inlet, and then flowing out from the outlet of the temperature control jacket, so as to keep the temperature of the reactor at 30 80 C; mixing deionized water, reaction medium and catalyst; Stirring for 3 6 min at room temperature is recorded as feed liquid A; mixing silicon source and reaction medium for 3 6 min at room temperature is recorded as feed liquid B; adding feed liquid into the cavity of internal circulation RP B through the feed port to react; after 20 90 min of reaction, stopping the motor and discharging the product from the outlet, the product is obtained. The preparation method has the advantages of simple process, controllable particle size, high particle uniformity, regular morphology, high purity, short reaction time, no precipitation for 10 months, and particle size of 1 130 nm.

【技术实现步骤摘要】
一种单分散纳米二氧化硅透明分散体的制备方法
本专利技术涉及一种二氧化硅分散体的制备方法，尤其是涉及一种单分散纳米二氧化硅透明分散体的制备方法。
技术介绍
纳米二氧化硅是一种无毒、无味、无污染的无机非金属材料，其颗粒尺寸小，比表面积大，是纳米材料中的重要一员。近年来，随着纳米二氧化硅制备技术的发展及改性研究的深入，纳米二氧化硅在橡胶、塑料、涂料、功能材料、通讯、电子、生物学以及医学等诸多领域得到了广泛的应用。纳米SiO2的制备方法多种多样，主要分为干法制备和湿法制备。干法制备包括气相分解法，电弧法；湿法制备包括沉淀法，溶胶-凝胶法，原位聚合法，模板法，微乳液法等。气相法是指在气相中形成超细粉体的一种工艺方法，其原理是通过各种手段使反应原料变成气体，使之在气体状态下发生化学变化，在冷却的过程中成核并长大形成超细粉体。气相法制得的超细二氧化硅产品纯度高，分散性能良好，比表面积大，粒径小并且分布范围窄。但是工艺条件相对液相法较为复杂，对设备的要求也高，能耗大，此外原材料四氯化硅的获得较为困难，生产成本高。沉淀法制备超细SiO2粉体的主要原料是水玻璃(硅酸钠)和无机酸，通过两者混合反应得到絮状沉淀二氧化硅。根据加入的无机酸不同，沉淀法又可分为碳化法、盐酸沉淀法、硫酸沉淀法等。碳化法制备超细SiO2粉体的工艺是向硅酸钠溶液中通入CO2气体，结晶析出SiO2的方法。用此方法制备的超细SiO2粉体所使用的原料气可以为工业废气，既解决了原料来源又解决了废气排放问题，适合于特定工厂产品延伸。但是，CO2气体通入到硅酸钠溶液中，气液相的混合过程属于扩散控制，因此必须加大传质强度，目前普遍使用增加压力来提升CO2的溶解速率，但是压力的增大导致生产过程功率消耗大，同时由于产率低，反应时间长等问题，碳化法制备超细SiO2粉体存在一定局限性。酸沉淀法生产二氧化硅工艺简单，原料廉价易得，因此成本低廉，具有很大的价格优势，但是，其产品质量比气相法稍差，影响了其应用在对产品质量有较高要求的领域。此方法可用于制备二氧化硅粉体，但无法制备出二氧化硅透明分散体。溶胶-凝胶法制备超细SiO2多采用正硅酸乙酯(TEOS)、正硅酸甲酯(TMOS)或者水玻璃等为原料，加入催化剂，经水解缩聚过程逐渐凝胶化，然后经过一定的后处理(陈化、干燥)得到超细二氧化硅。溶胶-凝胶法制备超细SiO2粉体具有超细粒子晶型、粒度可控，纯度高，反应过程易控制，副反应少，粒子均匀度高等优点。但是由于其为水解反应，反应时间较长，需要4-6h才能反应完全。因此，需要提供一种工艺简单、能耗低、反应时间短、产品粒径可控、形貌和粒径都较为均一的单分散纳米二氧化硅透明分散体的制备方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种单分散纳米二氧化硅透明分散体的制备方法。该制备方法工艺简单、二氧化硅纳米粒子粒径可控、粒子均匀度高、形貌规整、纯度高、反应时间短，存放10个月无沉淀，粒径1-130nm；制得的纳米二氧化硅颗粒在分散介质中均呈单分散状态。本专利技术的制备方法需要使用特定的内循环超重力旋转填充床(简称：内循环RPB)，该内循环RPB已在中国专利CN201260790Y所公开。所述内循环RPB包括一个内循环RPB的腔体3，内循环RPB腔体3的进料口1位于内循环RPB的腔体3的顶部，出料口4位于内循环RPB的腔体3的底部，内循环RPB的腔体3的壳体带有控温夹套8；内循环RPB的腔体3内设有由含填料层2的转子5与液体提升器10组成的料液混合装置；转子5位于腔体的上部与电机相连，转子5下端与液体提升器10相连；内循环RPB腔体3的顶部带有便于洗涤转子的洗涤口6；转子5中的填料是普通金属丝网、烧结或压制成型的整体金属丝网填料；所述填料的孔隙率在60-99％范围内变化，优选70-95％，更优选为80-90％。为解决上述第一个技术问题，本专利技术采用如下的技术方案：一种单分散纳米二氧化硅透明分散体的制备方法，包括如下步骤：S1、准备内循环超重力旋转填充床反应器，将恒温的换热介质由夹套进口持续通入控温夹套中，再由夹套出口流出，使反应器温度保持在30-80℃；S2、将去离子水、反应介质、催化剂混合后在常温下搅拌3-6min，记为料液A；S3、将硅源和反应介质混合后在常温下搅拌3-6min，记为料液B；S4、将料液A通过进料口加入内循环RPB的腔体中，开启电机；料液A在内循环RPB的腔体内通过液体提升器由底部升至转子的内壁，转子在电机带动下旋转产生离心力，使料液A穿过填料层后从转子的外壁甩出，在重力作用下回到内循环超重力旋转填充床的腔体的底部，如此循环往复；当转子达到500-2500rpm转速并稳定后，等待≧1min，将料液B由进料口加入，与料液A混合后一起进行上述循环；S5、反应20-90min后，停止电机，将产物从出料口中流出，收集产物，即得到单分散纳米二氧化硅透明分散体。从洗涤口通入反应所用的反应介质以及去离子水冲洗内循环RPB内部转子、填料及器壁，以备下一次反应使用。作为本专利技术的优选实施方式，步骤S1中，反应器的温度优选为50-70℃。作为本专利技术的优选实施方式，步骤S2和S3中，所述反应介质选自甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇中的一种或多种。作为本专利技术的优选实施方式，步骤S2中，所述催化剂选自氨水、氢氧化钠、正丙胺、三乙胺、N,N-二甲基甲酰胺、尿素中的一种或多种。作为本专利技术的优选实施方式，步骤S2中，去离子水与反应介质的体积比为1:2-1:50，例如，还可以为1:2-1:40，或1:2-1:30，或1:2-1:20，或1:2-1:10，或1:3-1:50，或1:3-1:40，或1:3-1:30，或1:3-1:20，或1:3-1:10，或1:5-1:50，或1:5-1:40，或1:5-1:30，或1:5-1:20，或1:5-1:10，或1:10-1:50，或1:10-1:40，或1:10-1:30，或1:10-1:20。作为本专利技术的优选实施方式，步骤S2中，催化剂的浓度为0.05mol/L-0.3mol/L；作为本专利技术的优选实施方式，步骤S3中，所述硅源选自正硅酸甲酯或正硅酸乙酯中的一种或多种。作为本专利技术的优选实施方式，步骤S3中，所述反应介质和硅源的体积比为1:3-1:20，例如，也可以为1:3-1:17，或1:3-1:14，或1:3-1:11，或1:3-1:8，或1:3-1:5，或1:5-1:20，或1:5-1:17，或1:5-1:14，或1:5-1:11，或1:5-1:8，或1:8-1:20，或1:8-1:17，或1:8-1:14，或1:8-1:11。作为本专利技术的优选实施方式，步骤S4中，转子转速优选为1000-1500rpm。作为本专利技术的优选实施方式，步骤S4中，反应时间优选为30-60min。本专利技术的制备方法，包括超重力设备的选择，各参数的选择构成一个整体的技术方案，相互配合才可以得到本专利技术的单分散纳米二氧化硅分散体。任何条件的逾越均会导致本专利技术的目的无法达成。本专利技术所记载的任何范围包括端值以及端值之间的任何数值以及端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。如无特殊说明，本专利技术中的各原料均可通过市售购买获得，本专利技术中所用的设备可采用所属领域中的常规设备或参照所属领域的现有技术进行。与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单分散纳米二氧化硅透明分散体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、准备内循环超重力旋转填充床反应器，将恒温的换热介质由夹套进口持续通入控温夹套中，再由夹套出口流出，使反应器温度保持在30‑80℃；S2、将去离子水、反应介质、催化剂混合后在常温下搅拌3‑6min，记为料液A；S3、将硅源和反应介质混合后在常温下搅拌3‑6min，记为料液B；S4、将料液A通过进料口加入内循环RPB的腔体中，开启电机；料液A在内循环RPB的腔体内通过液体提升器由底部升至转子的内壁，转子在电机带动下旋转产生离心力，使料液A穿过填料层后从转子的外壁甩出，在重力作用下回到内循环超重力旋转填充床的腔体的底部，如此循环往复；当转子达到500‑2500rpm转速并稳定后，等待≧1min，将料液B由进料口加入，与料液A混合后一起进行上述循环；S5、反应20‑90min后，停止电机，将产物从出料口中流出，收集产物，即得到单分散纳米二氧化硅透明分散体。

【技术特征摘要】
1.一种单分散纳米二氧化硅透明分散体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、准备内循环超重力旋转填充床反应器，将恒温的换热介质由夹套进口持续通入控温夹套中，再由夹套出口流出，使反应器温度保持在30-80℃；S2、将去离子水、反应介质、催化剂混合后在常温下搅拌3-6min，记为料液A；S3、将硅源和反应介质混合后在常温下搅拌3-6min，记为料液B；S4、将料液A通过进料口加入内循环RPB的腔体中，开启电机；料液A在内循环RPB的腔体内通过液体提升器由底部升至转子的内壁，转子在电机带动下旋转产生离心力，使料液A穿过填料层后从转子的外壁甩出，在重力作用下回到内循环超重力旋转填充床的腔体的底部，如此循环往复；当转子达到500-2500rpm转速并稳定后，等待≧1min，将料液B由进料口加入，与料液A混合后一起进行上述循环；S5、反应20-90min后，停止电机，将产物从出料口中流出，收集产物，即得到单分散纳米二氧化硅透明分散体。2.根据权利要求1所述单分散纳米二氧化硅透明分散体的制备方法，其特征在于：从洗涤口通入反应所用的反应介质以及去离子水冲洗内循环RPB内部转子、填料及器壁，以备下一次反应使用。3.根据权利要求1所述单分散纳米二氧化硅透明分散体的制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：王洁欣，杨丹蕾，乐园，曾晓飞，陈建峰，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11