一种利用气液固三相淤浆反应器制备单分散硅溶胶的方法

摘要

本发明公开了一种利用气液固三相淤浆反应器制备单分散硅溶胶的方法，其特征在于：向淤浆反应器内加入碱液和硅粉，碱液连续加入，硅粉分批加入。本发明基于气体在液相内的自由上升对体系的搅动作用机理，利用硅粉水解自身生成气体(H

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅溶胶的制备方法，具体涉及利用气液固三相淤浆反应器制备单分散硅溶胶的方法。

背景技术

硅溶胶是指无定形的二氧化硅在水中或者其他溶剂中的分散体系，具有胶体的性质，粒径5～100nm。由于其巨大的比表面积及粒子奇特的表面特性，而被广泛应用于化学机械抛光(CMP)、电子工业、工业催化、纺织、造纸等领域。尤其是大粒径、单分散性的硅溶胶的应用，更是受到青睐。一般，对大粒径的定义为粒径大于20nm。

目前，制备硅溶胶的方法主要有硅粉水解法、离子交换法、溶胶-凝胶法、硅酸钠酸化法等。由于硅粉水解法操作简单、粒子单分散性高、无废水产生等优点而广受关注。CN101585541A提出了一种电子级硅溶胶的制备方法，先用硅粉水解得到的硅溶胶，依次通过粒径选择器、离子交换树脂来分别达到控制产品粒径与纯度的目的。所得最终产品粒径10～20nm，可见未经后处理的原产品粒径分散性较差，且专利中对粒径选择器并无过多介绍。CN102173426A提出了一种高均匀度硅溶胶的制备方法，在超声波作用下通过向种子溶液中不断补加硅粉和碱性催化剂来实现硅溶胶粒径的生长。其主要作用机理是利用超声波的作用，使得硅粉和硅溶胶粒子在体系内达到均匀分散。其中超声波频率为20KHz～50MHz，需要消耗大量能量来产生足够频率的超声波。CN1830778A提出了一种大粒径纳米级二氧化硅胶体的制备方法，其具体操作为：搅拌作用下向碱性水溶液中不断添加硅粉，通过控制硅粉加入量及其加入时间，以可控制新形成的二氧化硅在晶种表面生长，得到高纯度、窄粒径分布且粒径可控的硅溶胶。CN1974385A提出了一种单分散性二氧化硅溶胶的制备方法，通过对碱液加入速度的控制，使溶液中的硅酸浓度始终小于二氧化硅新粒子形成所需的浓度，硅酸吸附在二氧化硅种粒子表面并生长使粒子增大，来实现粒径的均匀分布与可控增长。但以上两者均是通过对硅粉水解及粒子增长的动力学要素控制来达到控制粒径及粒径分布的目的，并未涉及对硅粉及硅溶胶粒子在体系内分散性的叙述。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气液固三相淤浆反应器制备单分散硅溶胶的方法以弥补现有技术存在的不足。本发明提供的气液固三相淤浆反应器制备单分散硅溶胶的方法，其原理是基于气体在液相内的自由上升对体系的搅动作用机理，利用硅粉水解自身生成氢气体积较小、分散均匀及大小均一的特性，实现良好的搅拌效果。反应器内不需额外的鼓泡装置即可达到 反应所需的搅拌效果。硅粉与碱液的逆流接触，增大了硅粉沉降的阻力，同时，硅粉水解产生的氢气易吸附在硅粉表面，增大了硅粉的浮力。气体在脱离硅粉表面后，其大小均一，且在反应器内各处均匀产生，无死角，这为气体对体系的搅拌更为有利。

本发明的优势是充分利用在硅粉水解过程中所释放出的H2，在管内的自由上升进程对硅粉的撞击与托浮作用，并结合碱液由下而上的进入对硅粉的推动作用来实现反应体内的均一化。

按照本发明提供的技术方案，一种利用气液固三相淤浆反应器制备单分散硅溶胶的方法，其特征在于制备过程中包括如下步骤：

A.基于附图的气液固三相淤浆反应器，碱液由底部的碱液入口(1)加入，至反应器1/5～1/2高度后，由加料口(2)分批加入硅粉，加热介质由(4)进入，由(5)排出，控制反应温度50～90℃；

B.硅粉在碱催化作用下与水反应，生成硅酸单体和氢气，硅酸单体聚合后得到二氧化硅水溶胶，氢气上浮形成鼓泡搅拌，硅粉颗粒依靠氢气托起，在碱液中呈悬浮状态；

C.碱液为连续进入，当碱液充满反应器后，关闭(6)处阀门停止通入，并保温反应2～12小时；

D.将料液由底部出料口(3)排出，过滤去除掉未反应的硅粉，即得产品单分散硅溶胶。

优选的，所述硅粉的粒径为100～600目。

优选的，所述气液固三相淤浆反应器的长径比为50∶1～250∶1。

优选的，所述硅粉分批加入次数为3～6次，每次间隔20～120分钟。

优选的，所述碱溶液为NaOH、KOH、NH₄OH、LiOH中的一种或几种的水溶液，其质量浓优选的，度为0.05～2.5％。

优选的，所述碱溶液的加入速率为0.5mL/min～5mL/min。

优选的，所述硅粉与碱的质量比为50∶1～10∶1。

优选的，所述硅溶胶产品的粒径为10～50nm，多分散性指数0.01～0.04。

附图说明

图1为气液固三相淤浆反应器装置示意图

图2为粒径13nm硅溶胶的粒径分布图

图3为粒径20nm硅溶胶的扫描电镜图

图4为粒径50nm硅溶胶的扫描电镜图

具体实施方式

以下是利用气液固三相淤浆反应器制备单分散硅溶胶的方法的实施例，但所述实施例不 构成对本发明的限制。

实施例1

一种利用气液固三相淤浆反应器制备单分散硅溶胶的方法，其组分按质量份数计，包括以下工艺步骤：

选用气液固三相淤浆反应器的长径比为50∶1；硅粉粒径为100目，加入量为7份，分3次加入，每次间隔20分钟；碱液由0.05份NaOH和99.95份水构成，进液速率为0.5mL/min；硅粉与碱的质量比为10∶1；反应温度50℃，停止通入碱液后保温反应2小时。得到的硅溶胶粒径为13nm，多分散性指数为0.021。图2为本实施例下得到硅溶胶的粒径分布图。

实施例2

一种利用气液固三相淤浆反应器制备单分散硅溶胶的方法，其组分按质量份数计，包括以下工艺步骤：

选用气液固三相淤浆反应器的长径比为250∶1；硅粉粒径为200目，加入量为50份，分4次加入，每次间隔120分钟；碱液由1份NaOH和99份水构成，进液速率为5mL/min；硅粉与碱的质量比为20∶1；反应温度70℃，停止通入碱液后保温反应10小时。得到的硅溶胶粒径为20nm，多分散性指数为0.012。图3为本实施例下得到硅溶胶的扫描电镜图。

实施例3

一种利用气液固三相淤浆反应器制备单分散硅溶胶的方法，其组分按质量份数计，包括以下工艺步骤：

选用气液固三相淤浆反应器的长径比为100∶1；硅粉粒径为600目，加入量为100份，分6次加入，每次间隔80分钟；碱液由1份NaOH、1份KOH、0.5份NH₄OH和97.5份水构成，进液速率为2mL/min；硅粉与碱的质量比为50∶1；反应温度90℃，停止通入碱液后保温反应12小时。得到的硅溶胶粒径为50nm，多分散性指数为0.036。图4为本实施例下得到硅溶胶的扫描电镜图。

上述实施例的描述应该被视为说明，易于理解的是，可在不脱离如在权利要求书中阐述的本发明的情况下使用上文阐述的特征的许多变化和组合，这类变化并不被视为脱离了本发明的精神和范围，且所有这类变化都包括在以上权利要求书的范围内。