真空碳热还原制备高纯球形二氧化硅的方法

摘要

本发明涉及一种真空碳热还原制备高纯球形二氧化硅的方法，采用生物质燃烧灰、粉煤灰、二氧化硅矿为原料，木炭、石油焦或煤为碳质还原剂，在真空炉内，进行碳热还原反应，生成一氧化硅气体，冷却后发生歧化反应生成球形纳米二氧化硅和球形纳米硅，经过氧化处理，生成高纯球形二氧化硅，其纯度大于99.99％，成球率达到90％以上，粒度分布均匀，粒径为50－200纳米之间，以满足电子、电器、化工产品的功能填料的需要。

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种真空碳热还原制备高纯球形二氧化硅的方法。属于真空冶金技术领域。

二、背景技术

高纯球形纳米SiO₂作为一种新型材料，由于具有高介电、高耐热、高耐湿、高填充量、低膨胀、低应力、低杂质、低摩擦系数等优越性能，在电子、电器、化工等诸多领域具有广阔的应用前景，是一种理想的电子、电器、化工产品的优质功能填料，市场潜力巨大，经济效益明显。目前，国内应用的高纯球形纳米二氧化硅基本依赖于进口。高纯球形纳米二氧化硅粉体的研究，对于诸多行业产品的提档升级具有极其重要的意义，也将会大大改变高纯球形纳米二氧化硅仅依赖于进口的局面。

近年来，我国对纳米二氧化硅的研究进展迅速，但对高纯球形纳米二氧化硅的研究还刚刚起步。目前，制备高纯球形纳米二氧化硅的方法主要有高温熔融法、机械整形法、化学气相沉积法以及溶胶-凝胶法等等，但是效果不是很理想，如高温熔融法生产的高纯球形纳米二氧化硅的成球率只能达到80％左右，且温度高，装置要求较苛刻、技术参数较难控制，不易获得较高纯度、粒度均匀的产品。化学气相沉积法原料昂贵、能耗高、技术复杂、对设备要求苛刻，其制得的二氧化硅的应用也有限。本发明方法与这些方法相比，具有工艺简单、成本低、经济效益高、更加有效地利用二次资源的优点。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种真空碳热还原制备高纯球形二氧化硅的方法，采用生物质燃烧灰、粉煤灰、二氧化硅矿为原料，木炭、石油焦或煤为碳质还原剂，在真空炉内，进行碳热还原反应，生成一氧化硅气体，冷却后发生歧化反应生成球形纳米二氧化硅和球形纳米硅，经过氧化处理，生成高纯球形纳米二氧化硅，其纯度大于99.99％，成球率达到90％以上，粒度分布均匀，粒径为50-200纳米之间，以满足电子、电器、化工产品的功能填料的需要。

本发明通过以下步骤完成

1)、预处理：将含二氧化硅原料与碳质还原剂各自磨成50目以下的细粉，按含二氧化硅原料：碳质还原剂＝12：0.8-2.5的配比进行配料，混合均匀，压块；所述含二氧化硅原料包括生物质燃烧灰、粉煤灰和二氧化硅矿中的一种，所述碳质还原剂为木炭、石油焦或煤；

2)、真空碳热还原：将处理好的块料置于真空炉的坩埚中进行真空碳热还原，控制真空炉内压力为1-4000Pa，温度为800-1800℃，反应时间为5-75分钟，在坩埚中发生如下反应：

C+SiO₂＝SiO↑+CO↑

生成一氧化硅气体和一氧化碳气体；

3)、冷却歧化反应：生成的一氧化硅气体在坩埚里上升的过程，随着温度降低到200℃-700℃之间，真空炉内压力为1-4000Pa，发生歧化反应：

2SiO＝Si+SiO₂

生成球形二氧化硅和球形硅。

4)、氧化处理：将生成的球形纳米二氧化硅和球形纳米硅的物料进行吹氧气氧化，吹氧气的速率控制为0.25-10L/min，时间为10-60分钟，最后得到高纯球形二氧化硅。

与现有的制备高纯球形纳米二氧化硅的方法相比本发明具有的优点：

1)、在真空炉内进行碳热还原反应，歧化反应生和氧化处理后就可以生成高纯球形纳米二氧化硅，工艺简单；

2)、本工艺使用的原料为火力发电厂生物质燃烧灰、发电厂粉煤灰和二氧化硅矿价格低廉，且解决了环保问题，碳质还原剂价格便宜，容易获得，能源的消耗也降低，既解决了环保问题又满足电子、电器、化工产品的功能填料的需要，收到明显经济效益。

四、附图说明：图1为本发明工艺流程图。

五、具体实施方式：

实施例一：使用火力发电厂二氧化硅含量为90wt％的生物质燃烧灰为原料，木炭为还原剂，各自磨成80目以下的细粉，以12：1.5的质量比进行配料，混合均匀，压块，并置于真空炉的坩埚中，控制真空炉内压力为10-150Pa，温度为1100℃，反应45分钟，得到SiO气体，在真空炉顶部抽真空的情况下，此气体进入冷凝盘，并得到冷凝，当温度降到300℃时，分解为球形纳米二氧化硅和球形纳米硅，将冷凝得到的球形纳米二氧化硅和球形纳米硅经过吹氧气氧化处理，吹氧气的速率为1.1L/min，时间为20分钟，最终得到高纯球形纳米二氧化硅。所得到的高纯球形纳米二氧化硅的纯度为99.99％，成球率为91％，粒度分布均匀，平均粒径为60纳米。

实施例二：用火力发电厂二氧化硅含量为60wt％的粉煤灰为原料，石油焦为还原剂，各自磨成180目以下的细粉，以12：0.8的质量比进行配料，混合均匀，压块，并置于真空炉的坩埚中，控制真空炉内压力为150-300Pa，温度为1300℃，反应60分钟，得到SiO气体，在真空炉顶部抽真空的情况下，此气体进入冷凝盘，并得到冷凝，当温度降到500℃时，分解为球形纳米二氧化硅和球形纳米硅，将冷凝得到的球形纳米二氧化硅和球形纳米硅经过吹氧气氧化处理，吹氧气的速率为1.8L/min，时间为15分钟，最终得到高纯球形纳米二氧化硅。所得到的高纯球形纳米二氧化硅的纯度为99.995％，成球率为90％，粒度分布均匀，平均粒径为120纳米。

实施例三：用99wt％的二氧化硅矿为原料，褐煤为还原剂，各自磨成140目以下的细粉，以12：2.5的质量比进行配料，混合均匀，压块，并置于真空炉的坩埚中，控制真空炉内压力为300-500Pa，温度为1400℃，反应75分钟，得到SiO气体，在真空炉顶部抽真空的情况下，此气体进入冷凝盘，并得到冷凝，当温度降到600℃时，分解为球形纳米二氧化硅和球形纳米硅，将冷凝得到的球形纳米二氧化硅和球形纳米硅经过吹氧气氧化处理，吹氧气的速率为0.8L/min，时间为25分钟，最终得到高纯球形纳米二氧化硅。所得到的高纯球形纳米二氧化硅的纯度为99.993％，成球率为92％，粒度分布均匀，平均粒径为80纳米。