專利名稱：高分散多基團雙親納米二氧化硅粉體或分散液的生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米材料的合成和納米材料的分散技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高分散多基 團雙親納米二氧化硅粉體或分散液的生產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
在濕法生產(chǎn)納米二氧化硅的方法中，成都聯(lián)宇科技有限公司發(fā)明的化學(xué)直接合成法 (亦稱改良沉淀法)是一種比較成熟的方法(專利申請?zhí)?00310123470.9)。該方法生產(chǎn)中采 用預(yù)先在硅酸鈉中加入稀釋水和助劑，利用硅酸鈉的絮凝能力把其中的雜質(zhì)除去，同時 在鹽酸中加入助劑和稀釋劑，除去沉淀劑中的雜質(zhì)，使產(chǎn)品純度不低于99.9°/。，反應(yīng)時 采用分段進料進行表面處理，控制二氧化硅粒子的生成和生長，破壞二氧化硅粒子表面 羥基的相互作用，阻止粒子團聚。該方法生產(chǎn)的二氧化硅原生粒徑《50nm，樣品可達 15 20nm。
但該方法生產(chǎn)的二氧化硅粉體粒子團聚嚴(yán)重，通常狀態(tài)為幾百納米至數(shù)微米的團聚 體，產(chǎn)品用戶很難用普通的分散混合手段將其打開，達不到納米產(chǎn)品添加的效果；用粉 體制成的分散液，粒子亦呈團聚體狀態(tài)，極易沉淀，不穩(wěn)定。產(chǎn)生這些問題的主要原因， 是由于納米顆粒具有極大的比表面積和較高的表面能，在制備和使用過程中極易發(fā)生粒 子團聚，形成二次粒子，使粒徑變大。而通常對已制備的二氧化硅粉體進行表面改性， 仍然無法從根本上解決納米二氧化硅的使用分散難問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種高分散多基團雙親納米二氧化硅粉體或分散 液的生產(chǎn)方法，引入多基團表面活性劑，對粒子表面進行原位改性，降低粒子的表面能， 減輕納米二氧化硅粒子的團聚，并通過組合分散技術(shù)，將原位改性后的粉體進一步分散 為納米分散液。
本發(fā)明高分散多基團雙親納米二氧化硅粉體的生產(chǎn)方法，其特征在于依次包括如下 步驟
(1)水玻璃精制按重量比l: l的比例，將水玻璃稀釋在去離子水中，升溫至40 'C，然后加入占水玻璃稀釋液總重量的0.5%的雙氧水，目的除去水玻璃中的金屬離子和
3雜質(zhì)，攪拌10min，過濾，制得水玻璃基液；
(2) 將水玻璃基液加入到反應(yīng)釜中，按水玻璃基液重量的3 5%加入硅烷偶聯(lián)劑， 攪拌，升溫至40'C;
(3) —段反應(yīng)保持反應(yīng)溫度40°C，向步驟二的基液中緩慢加入鹽酸，30min內(nèi) PH值達到9-10，停止加酸；
(4) 然后再加入去離子水稀釋，去離子水加入量為步驟一水玻璃基液重量的50%， 并升溫至50'C;
(5) 二段反應(yīng)保持反應(yīng)溫度5(TC，向稀釋液中再次緩慢加入鹽酸，70min內(nèi)PH 值達到7-8停止加酸；
(6) 反應(yīng)物熟化保持溫度30min后，降溫至常溫，過濾、洗滌，真空抽濾、閃蒸 干燥為粒徑15 50mn的納米二氧化硅粉體。
步驟(2)所述硅垸偶聯(lián)劑選自乙烯基三乙氧基硅烷、丙烯基三乙氧基硅烷、Y-氯 丙基三乙氧基硅烷、戊基三甲氧基硅烷或二乙烯三氨基丙基三甲氧基硅烷中的1~2種。
以上述生產(chǎn)方法制備的高分散多基團雙親納米二氧化硅粉體為原料制備納米二氧化 硅分散液的生產(chǎn)方法，依次包括如下步驟
(1) 在裝有機械剪切裝置的容器中，按固含量10 30wt。/。的比例，加入去離子水 和納米二氧化硅粉體；
(2) 開動機械剪切，升溫至4(TC，恒溫下，加入分別占納米二氧化硅粉體質(zhì)量的3 5%的分散劑和穩(wěn)定劑分散30 min，所述分散劑為聚羧酸鈉、聚丙烯酸鈉、偏磷酸鈉、 聚乙二醇或聚乙烯醇中的2 3種，所述穩(wěn)定劑為異丙基三甲基丙烯?；佀狨?、醇胺鈦 酸酯或聚鈦酸丁酯種的一種。
(3) 物料分散后進入研磨機，研磨30 miii;
(4) 再進行超聲分散50 min，得納米二氧化硅分散液，粒徑為15 50nm。
本發(fā)明首先通過加入助劑對原料水玻璃進行精制，再將精制的原料水玻璃中加入表 面活性劑，通過分段加酸沉淀，控制粒子的生成和生長，同時進行原位改性，用有機基 團取代二氧化硅粒子表面的羥基。工藝過程中控制溫度和PH值，最后過濾、洗滌、真 空抽濾、烘干，制備出高分散的二氧化硅的粉體。
通過機械分散、研磨和超聲波組合分散技術(shù)，加入組合分散劑和穩(wěn)定劑，控制分散 時間，將原位改性后的粉體進一步分散為納米分散液。該分散液性能穩(wěn)定，分散效果好， 保持了納米粒子的分散狀態(tài)。本發(fā)明的優(yōu)點
1、 納米二氧化硅生產(chǎn)反應(yīng)過程中，引入多基團表面活性劑，在納米二氧化硅粒子形 成的同時，即對粒子表面進行原位改性，用有機基團取代二氧化硅粒子表面的羥基，從 而降低粒子的表面能，減輕納米二氧化硅粒子的團聚。產(chǎn)品粒徑小、在15-50mn之間可 調(diào)節(jié)控制，粒子團聚大大減少，粉體分散性好(見圖la)，使用中只需普通的分散設(shè)備， 即可分散到納米狀態(tài)。同時，由于不同有機基團的引入，既能與有機物質(zhì)很好的相容有 良好的界面，又具有一定的親水性，產(chǎn)品具有較好的雙親性能。
2、 通過采用組合分散技術(shù)，加入分散劑和穩(wěn)定劑，將原位改性后的納米二氧化硅粉 體進一步分散為納米分散液(見圖2a)。分散液性能穩(wěn)定，同時具有高分散性能，用戶 可直接添加使用，解決了納米二氧化硅分散難的問題。


圖la為本發(fā)明得到的原位改性納米二氧化硅粉體電鏡照片； 圖lb為直接合成法得到的納米二氧化硅粉體的電鏡照片； 圖2a為本發(fā)明組合分散方式得到的納米二氧化硅分散液電鏡照片； 圖2b為采用普通分散法得到的納米二氧化硅分散液電鏡照片。
具體實施例方式
以下結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不限定本發(fā)明。實施例中未作特別說明， 百分?jǐn)?shù)均為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。
實施例l:制備高分散多基團雙親納米二氧化硅粉體
(1) .水玻璃的精制
本發(fā)明采用去除雜質(zhì)后的水玻璃溶液為硅源。
首先，按l: 1 (重量比)的比例，將水玻璃稀釋在去離子水中，升溫至40'C，加入
占水玻璃稀釋液總重量的0.5%的雙氧水，攪拌10min，過濾，除去水玻璃中的金屬離子 和雜質(zhì)，制得水玻璃基液；
(2) .納米二氧化硅粉體的制備流程
主要制備步驟如下
①將精制后的水玻璃基液加入到反應(yīng)釜中，按水玻璃基液重量的4% (3~5%均可) 加入硅垸偶聯(lián)劑，攪拌；升溫至40'C。硅垸偶聯(lián)劑根據(jù)需要的有機基團，可以從下列選 擇1 2種乙烯基三乙氧基硅烷、丙烯基三乙氧基硅垸、Y-氯丙基三乙氧基硅烷、戊 基三甲氧基硅烷或二乙烯三氨基丙基三甲氧基硅垸。
5② 一段反應(yīng)，保持反應(yīng)溫度40'C，向上述基液中緩慢加入鹽酸，30min內(nèi)PH值達 到9-10，停止加酸。
③ 然后再加入去離子水稀釋，去離子水加入量為步驟一水玻璃基液重量的50%，并 升溫至50 °C 。
④ 二段反應(yīng)，保持反應(yīng)溫度5(TC，向稀釋液中再次緩慢加入鹽酸，70min內(nèi)PH值 達到7-8停止加酸。
⑤ 反應(yīng)物熟化，保持溫度30min后，降溫至常溫，過濾、洗滌，真空抽濾、閃蒸(280 °C)干燥，得到粒徑為15 50nm的粉體。
如圖la、圖lb分別為本發(fā)明原位改性納米二氧化硅粉體與已有技術(shù)直接合成法得 到的納米二氧化硅粉體對比電鏡照片，可以看出本發(fā)明產(chǎn)品粉體分散性好。 實施例2:制備高分散多基團雙親納米二氧化硅分散液
(1) .在裝有機械剪切裝置的容器中，按固含量20% (10 30%均可)的比例，加入 去離子水和實施例1制備的納米二氧化硅粉體。
(2) .開動機械剪切，升溫至4(TC，恒溫下，選擇2 3種分散劑和1種穩(wěn)定劑，各 按占納米二氧化硅粉體質(zhì)量的3 5%，加入系統(tǒng)分散30min。分散劑選自聚羧酸鈉、 聚丙烯酸鈉、偏磷酸鈉、聚乙二醇、聚乙烯醇，穩(wěn)定劑為異丙基三甲基丙烯?；佀?酯、醇胺鈦酸酯或聚鈦酸丁酯。
(3) .物料分散后進入研磨機，研磨30min;
(4) .再進行超聲分散50 min，得納米二氧化硅分散液，粒徑為15 50nm。
如圖2a、圖2b分別為采用本發(fā)明組合分散方法與普通分散法得到的納米二氧化硅 分散液的對比電鏡照片。
權(quán)利要求
1、一種高分散多基團雙親納米二氧化硅粉體的生產(chǎn)方法，其特征在于依次包括如下步驟(1)水玻璃精制按重量比1∶1的比例，將水玻璃稀釋在去離子水中，升溫至40℃，然后加入占水玻璃稀釋液總重量的0.5％的雙氧水，攪拌10min，過濾，制得水玻璃基液；(2)將水玻璃基液加入到反應(yīng)釜中，按水玻璃基液重量的3～5％加入硅烷偶聯(lián)劑，攪拌，升溫至40℃；(3)一段反應(yīng)保持反應(yīng)溫度40℃，向步驟二的基液中緩慢加入鹽酸，30min內(nèi)PH值達到9-10，停止加酸；(4)然后再加入去離子水稀釋，去離子水加入量為步驟一水玻璃基液重量的50％，并升溫至50℃；(5)二段反應(yīng)保持反應(yīng)溫度50℃，向稀釋液中再次緩慢加入鹽酸，70min內(nèi)PH值達到7-8停止加酸；(6)反應(yīng)物熟化保持溫度30min后，降溫至常溫，過濾、洗滌，真空抽濾、閃蒸干燥為粒徑15～50nm的納米二氧化硅粉體。
2 、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)方法，其特征在于步驟(2)所述硅烷偶聯(lián)劑選自乙 烯基三乙氧基硅垸、丙烯基三乙氧基硅烷、Y-氯丙基三乙氧基硅烷、戊基三甲氧基硅烷 或二乙烯三氨基丙基三甲氧基硅垸中的1~2種。
3、 一種以權(quán)利要求1所述的高分散多基團雙親納米二氧化硅粉體為原料制備納米二 氧化硅分散液的生產(chǎn)方法，其特征在于依次包括如下步驟(1) 在裝有機械剪切裝置的容器中，按固含量10 30wt。/。的比例，加入去離子水 和納米二氧化硅粉體；(2) 開動機械剪切，升溫至40°C，恒溫下，加入分別占納米二氧化硅粉體質(zhì)量的3 5%的分散劑和穩(wěn)定劑分散30 miii，所述分散劑為聚羧酸鈉、聚丙烯酸鈉、偏磷酸鈉、 聚乙二醇或聚乙烯醇中的2 3種，所述穩(wěn)定劑為異丙基三甲基丙烯酰基鈦酸酯、醇胺鈦 酸酯或聚鈦酸丁酯種的一種。(3) 物料分散后進入研磨機，研磨30 miii;(4) 再進行超聲分散50 min，得納米二氧化硅分散液，粒徑為15 50nm。
全文摘要
本發(fā)明提供了高分散多基團雙親納米二氧化硅粉體或分散液的生產(chǎn)方法。首先通過加入雙氧水對原料水玻璃進行精制，再將精制的原料水玻璃中加入表面活性劑，通過分段加酸沉淀，控制粒子的生成和生長，同時進行原位改性，用有機基團取代二氧化硅粒子表面的羥基。工藝過程中控制溫度和pH值，最后過濾、洗滌、真空抽濾、烘干，制備出高分散的二氧化硅的粉體。再通過機械分散、研磨和超聲波組合分散技術(shù)，加入組合分散劑和穩(wěn)定劑，控制分散時間，將原位改性后的粉體進一步分散為納米分散液。該分散液性能穩(wěn)定，分散效果好，保持了納米粒子的分散狀態(tài)。
文檔編號C01B33/00GK101659415SQ20081013908
公開日2010年3月3日 申請日期2008年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月29日
發(fā)明者于新生, 楊若峰, 王海平, 董振民 申請人:山東海納高科材料有限公司