制备微孔二氧化硅的工艺研究

李春山，张 忆，张周赫，朱晓辉

（北京航天赛德科技发展有限公司，北京 100097）

制备微孔二氧化硅的工艺研究

李春山，张 忆，张周赫，朱晓辉

（北京航天赛德科技发展有限公司，北京 100097）

以碱性硅溶胶为原料，加入一定量的硫酸钠，反应体系在适宜的温度下反应一定时间，经过洗涤、干燥、研磨和筛分得到小孔二氧化硅粉体。该方法的最佳工艺条件∶反应温度在45℃，硫酸钠的添加量为硅溶胶质量的1%，反应时间为1h。

碱性硅溶胶；硫酸钠；微孔二氧化硅

1 引言

纳米二氧化硅是一种无定型的白色粉末，是无毒、无味、无污染的非金属固体材料，由于纳米二氧化硅具有小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和卓越的光、电、力、热、磁、放射、吸收等性能，以及高强度、高韧性、极佳的稳定性，使得纳米二氧化硅在陶瓷、橡胶、塑料、涂料、颜料及催化剂载体等领域得到广泛的应用[1-2]，迄今为止，纳米二氧化硅的生产方法主要可以分为干法和湿法两种，干法有气相法和电弧法，湿法包括溶胶-凝胶法、沉淀法、微乳液法、水热合成法、碳化反应法和超重力反应法等[3-6]。

本文介绍了一种制备小孔纳米二氧化硅的新方法，以碱性硅溶胶为原料，加入一定量的硫酸钠，反应体系在适宜的温度下反应一定时间，经过洗涤、干燥、研磨和筛分制得小孔二氧化硅粉体。

2 实验

2.1 实验原料和仪器设备

实验原料∶碱性硅溶胶，北京航天赛德科技发展有限公司；硫酸钠，分析纯试剂。

仪器设备∶三口烧瓶；JJ-1型增力电动搅拌器，常州翔天实验仪器厂；101-1AB型电热鼓风干燥箱，北京利康达圣科技发展有限公司。

2.2 实验方法

将适量的碱性硅溶胶加入三口烧瓶中，在一定的搅拌速度下，加入一定量的硫酸钠，加热至一定温度，恒温反应1h。最后将该凝胶洗涤、干燥，将得到的白色固体，并在高速粉碎机中研磨，过60目筛网后，对产品进行理化指标的测定，并计算其产率。

2.3 实验原理

硅溶胶就是纳米级无定形二氧化硅分散在水中的胶体溶液，其胶粒三维结构完全等同于纳米二氧化硅结构，若将硅溶胶中的水分去掉即可得到二氧化硅，但由于硅溶胶粒径较小且含量普遍较低，直接干燥过程较慢而且胶粒合并易形成硬团聚，能耗过高，不利于工业化生产。如使硅溶胶凝胶形成沉淀，去掉多余水分可节省生产时间和节约能耗、人工等生产成本。

硅溶胶的凝胶化过程，硅溶胶粒子表面存在两种硅羟基结构，即Si（OSi）2（OH）2和Si（OSi）3（OH）。这两种硅羟基可以发生缩合反应。硅羟基之间发生缩合反应用化学方程式可以表示为∶

式中，R代表H或Si。

硅溶胶粒子表面的硅羟基发生缩合反应，使硅溶胶粒子连接在一起，多个硅溶胶粒子相互连接，形成一些互相交错的线状或网状结构，充满和贯穿整个硅溶胶空间后便形成了硅凝胶[7]。而在硅溶胶中加入硫酸钠可加速凝胶，因为盐类放出离子，与硅溶胶的表面电荷结合以保持稳定性，表面电荷的平衡加剧粒子的集合而凝胶。凝胶经过洗涤、干燥便得到了二氧化硅粉体。

3 结果与讨论

3.1 产品的理化指标

产品的理化指标见表1。

表1 产品的理化指标

3.2 二氧化硅产率的影响因素

对二氧化硅的产率有影响的主要有反应温度、硫酸钠的添加量、反应时间。下面分别从这三个方面进行讨论。

3.2.1 反应温度对二氧化硅产率的影响

反应温度对二氧化硅产率的影响见图1。由图1可见，二氧化硅的产率随着反应温度的升高而增大，当反应温度达到45℃左右时，产率最高可达95%左右；当反应温度高于45℃时，二氧化硅的产率趋于稳定略有下降。因而，最佳反应温度为45℃。

图1 反应温度对二氧化硅产率的影响

3.2.2 硫酸钠的添加量对二氧化硅产率的影响

硫酸钠的添加量对二氧化硅产率的影响见图2。图2表明，二氧化硅的产率随着硫酸钠的添加量的增大而增大，当添加量达到硅溶胶质量的1%时，二氧化硅的产率最高，继续添加硫酸钠二氧化硅的产率基本保持不变。综合考虑，硫酸钠的添加量确定为硅溶胶质量的1%。

图2 硫酸钠的添加量对二氧化硅产率的影响

3.2.3 反应时间对二氧化硅产率的影响

反应时间对二氧化硅产率的影响见图3。由图3可知，反应时间越长二氧化硅的产率越高，当反应时间在30～45min时二氧化硅产率变化最大，45min后二氧化硅产率趋于平稳，由此可见，45min后反应趋近于完全，反应1h可以近似的认为反应已达到平衡状态，因此反应时间取1h即可。

4 结论

以碱性硅溶胶为原料制备二氧化硅的最佳工艺条件为∶在反应温度为45℃时，添加硅溶胶质量1%的硫酸钠，反应1h，制得小孔二氧化硅且纯度可达99%以上。

图3 反应时间对二氧化硅产率的影响

[1] 张密林，丁立国，景晓燕.纳米二氧化硅的制备、改性与应用[J].化学工程师，2003，99（6）∶11-131.

[2] 钱军民，李旭祥，黄海燕.纳米材料的性质及其制备方法[J].化工新型材料，2001，29（7）∶1-5.

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[4] 郑典模，苏学军.化学沉淀法制备纳米 SiO2的研究[J].南昌大学学报（工科版），2003，28（2）∶39-41.

[5] 陈建峰，邹海魁，刘润静，等.超重力反应沉淀法合成纳米材料及其应用[J].现代化工，2001，21（9）∶9-12.

[6] 李曦，刘连利，王莉丽，石文凤凝胶网格沉淀法制备纳米二氧化硅[J].硅酸盐通报，2007，26（3）∶64-66.

[7] 杨丽静，田辉平，龙军，等.碱性硅溶胶稳定性的研究[J].石油炼制与化工，2010，41（6）∶12-16.

Study on Preparation of Micro-Porous Silicon Dioxide

Li Chun-shan，Zhang Yi，Zhang Zhou-he，Zhu Xiao-hui

In this study，basic silica sol was used as raw material.The reaction system was added with a certain amount of sodium sulfate.The reaction system was reacted at the appropriate temperature for a certain time，washed，dried，ground and sieved to obtain silica powder.The optimum reaction conditions were as follows∶the reaction temperature was 45℃，the adding amount of sodium sulfate was 1% of the mass of silica sol，and the reaction time was 1 hour.

alkaline silica sol；sodium sulfate；micro-porous silicon dioxide

TQ127.2

B

1003-6490（2017）02-0068-02

2016-02-10

李春山（1991—），女，黑龙江哈尔滨人，助理工程师，主要从事无机粉体技术开发与研究。

收稿日期：2017-02-08

作者简介： 王伟（1984—），男，甘肃酒泉人，助理工程师，主要研究方向为化工工艺。