一种利用水玻璃通过反相悬浮分散高效制备微米级二氧化硅微球的方法

本发明涉及二氧化硅微球制备，具体涉及一种利用水玻璃通过反相悬浮分散高效制备微米级二氧化硅微球的方法。

背景技术：

1、二氧化硅微球，表现出优异的机械、热、化学(特别是耐酸性)和生物稳定性，二氧化硅微球制造的复合材料用于许多监测领域，包括生物分子，离子和化合物的检测。特别是微米级二氧化硅微球具有广泛的用途，可以在不同介质中作为加强材料，来提高基体的强度、硬度、化学稳定性、耐磨、耐腐蚀和耐候性等特性，如单分散的二氧化硅微球被广泛地应用在显示面板中，在液晶中稳定支撑夹缝空间充当骨架。除此之外，二氧化硅微球具有大孔径、低毒性和高比表面积，是理想的吸附剂和化学载体，而且无定形二氧化硅表面羟基的含量很高，这就为表面改性提供了多种可能性。

2、目前制备微米级二氧化硅微球的方法主要分为物理法和化学法，物理法包括机械研磨、喷雾干燥法和高温球化法；化学法包含模板法、气相法和沉淀法。在物理方法中，不规则形状的二氧化硅原料通过一系列物理方法变成球体。在化学方法中，使用有机硅或水玻璃作为原料，通过一系列的化学改性获得二氧化硅微球。与物理方法相比，化学合成工艺的主要优点是能耗低、纯度高。然而，大多数化学合成方法使用有机硅作为硅源，如正硅酸乙酯，价格高且反应的副产品是有机物，这增加了反应后处理成本，并使下游加工复杂化。相比沉淀法，蒸发法和模板法使用廉价的水玻璃作为硅源，但同样存在复杂的离子交换过程和产品质量较差等问题。因此，迫切需要开发低成本、低能耗的工艺来合成微米级二氧化硅微球，以实现“低碳节能”目标。

3、目前，从水玻璃为原料沉淀合成二氧化硅微球的工艺很少见，工业上几乎都是从正硅酸乙酯(teos)合成的二氧化硅微球，因为该工艺生产的二氧化硅微球球形度良好，密实度低，尺寸容易控制。虽然从水玻璃中合成二氧化硅微球具有原料成本低、生产率低和环保等优点，但由于这种技术合成的二氧化硅微球团聚度高，球形颗粒无法单分散，均需要使用乳化剂，制备后的有机相难以循环利用，因此工业化生产非常困难。所以，需要开发一种以水玻璃为原料，大大简化操作流程，实现有机相循环利用的二氧化硅微球高效制备工艺流程。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种利用水玻璃通过反相悬浮分散高效制备微米级二氧化硅微球的方法，本发明能得到一种球形度优异、粒径和孔体积可控的微米级二氧化硅微球，并能实现制备后有机相的循环利用，且整个制备流程操作简单、能耗低、成本低廉、绿色环保，解决了上述背景技术中提到的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种利用水玻璃通过反相悬浮分散高效制备微米级二氧化硅微球的方法，包括如下步骤：

3、s1、将液体水玻璃与有机相按照一定比例混合，高速分散陈化成反应前驱体；

4、s2：向高速搅拌中分散的前驱体中滴加酸性溶液；

5、s3：待析出二氧化硅微球后继续分散陈化一段时间；

6、s4：沉淀，洗涤，干燥后即可得到单分散微米级二氧化硅微球。

7、优选的，所述步骤s1中液体水玻璃包括不同模数n的钠水玻璃na2o·nsio2、钾水玻璃k2o·nsio2和/或钾/钠水玻璃(k/na)2o·nsio2，其中，不同模数n的范围为2.3～3.3。

8、优选的，所述步骤s1中的有机相是动植物内所含的脂肪或矿产的碳氢化合物的混合液体，包括机油、硅油、真空泵油、石油、汽油、煤油、花生油、大豆油或葵花籽油的一种或几种的混合物。

9、优选的，所述步骤s1中液体水玻璃与有机相的体积比为1：1～200。

10、优选的，所述步骤s1中液体水玻璃与有机相的体积比为1：3～50。

11、优选的，所述步骤s1中的分散速度为100～5000r/min，陈化时间为1～60min。

12、优选的，所述步骤s1中的分散速度为500～3000r/min，陈化时间为5～40min。

13、优选的，所述步骤s2中酸性液体的质量百分比浓度为1％到纯溶剂，滴加速率为0.05～100ml min-1；所述的酸性液体为醋酸、柠檬酸、苹果酸、甲酸、乙酸丙酸、碳酸、硫酸、盐酸、磷酸、氯化铵或乙酸乙酯。

14、优选的，所述步骤s2中酸性液体的质量百分比浓度为5％到60％，滴加速率为0.5～30ml min-1。

15、优选的，所述步骤s3中的分散速度为100～5000r/min，分散时间为1～60min。

16、优选的，所述步骤s3中的分散速度为500～3000r/min，分散时间为10～30min。

17、优选的，所述步骤s4中的干燥温度为20～200℃，干燥时间为20min～72h。

18、优选的，所述步骤s4中的干燥温度为80～120℃，干燥时间为20min～48h。

19、优选的，所述单分散微米级无定型二氧化硅微球粒径为1～500μm，比表面积为5～800m2/g，孔体积为0.1726～0.43cm3/g。

20、优选的，所述单分散微米级无定型二氧化硅微球粒径为20～300μm，比表面积为100～400m2/g，孔体积为0.17～0.2624cm3/g。

21、优选的，所述制备微米级二氧化硅微球的方法中，无需使用乳化剂，能实现有机相的循环利用，循环使用次数为30～50次后制备的单分散微米级无定型二氧化硅微球粒径仍保持为1～500μm，比表面积为5～800m2/g，孔体积为0.17～0.43cm3/g。

22、本发明的有益效果是：针对目前以水玻璃为原料沉淀法生成二氧化硅微球存在的问题，本发明开发了一种以水玻璃通过反相悬浮分散技术高效制备微米级二氧化硅微球的方法，采用强酸制弱酸的原理，利用水玻璃在酸性条件下反应生成硅酸，硅酸过饱和析出二氧化硅的特性，具体操作按照以下步骤进行：将不同种类硅酸化合物和不同有机相按照比例混合，在高速分散的条件下滴加不同种类/浓度的酸进行反应，待析出二氧化硅微球后继续分散一段时间，经沉淀、清洗、干燥得到不同粒径的单分散微米级无定型二氧化硅微球。本发明制备二氧化硅的方法与目前的制备技术相比：整个工艺流程简单，一次成球，对设备要求低，无需任何的高温条件，大大降低了制备过程的能耗，原材料廉价，比目前商用原料正硅酸乙酯低十倍，可实现有机相的循环利用，整个制备过程绿色环保。本发明制备的二氧化硅微球：单分散，球形度好，具有较大的孔体积和比表面积，产率高；粒径可控(1-400μm)且粒径分布均一；孔体积较大，孔径分布均匀；具有强度高、耐高温、耐腐蚀、化学性质稳定等优异特性，该方法在二氧化硅微球制备方面具有很大的优势和应用前景。

技术特征：

1.一种利用水玻璃通过反相悬浮分散高效制备微米级二氧化硅微球的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的利用水玻璃通过反相悬浮分散高效制备微米级二氧化硅微球的方法，其特征在于：所述步骤s1中液体水玻璃包括不同模数n的钠水玻璃na2o·nsio2、钾水玻璃k2o·nsio2和/或钾/钠水玻璃(k/na)2o·nsio2，其中，不同模数n的范围为2.3～3.3。

3.根据权利要求1所述的利用水玻璃通过反相悬浮分散高效制备微米级二氧化硅微球的方法，其特征在于：所述步骤s1中的有机相是动植物内所含的脂肪或矿产的碳氢化合物的混合液体，包括机油、硅油、真空泵油、石油、汽油、煤油、花生油、大豆油或葵花籽油的一种或几种的混合物。

4.根据权利要求1所述的利用水玻璃通过反相悬浮分散高效制备微米级二氧化硅微球的方法，其特征在于：所述步骤s1中液体水玻璃与有机相的体积比为1：1～200。

5.根据权利要求1所述的利用水玻璃通过反相悬浮分散高效制备微米级二氧化硅微球的方法，其特征在于：所述步骤s1中的分散速度为100～5000r/min，陈化时间为1～60min。

6.根据权利要求1所述的利用水玻璃通过反相悬浮分散高效制备微米级二氧化硅微球的方法，其特征在于：所述步骤s2中酸性液体的质量百分比浓度为1％到纯溶剂，滴加速率为0.05～100ml min-1；所述的酸性液体为醋酸、柠檬酸、苹果酸、甲酸、乙酸丙酸、碳酸、硫酸、盐酸、磷酸、氯化铵或乙酸乙酯。

7.根据权利要求1所述的利用水玻璃通过反相悬浮分散高效制备微米级二氧化硅微球的方法，其特征在于：所述步骤s3中的分散速度为100～5000r/min，分散时间为1～60min。

8.根据权利要求1所述的利用水玻璃通过反相悬浮分散高效制备微米级二氧化硅微球的方法，其特征在于：所述步骤s4中的干燥温度为20～200℃，干燥时间为20min～72h。

9.根据权利要求1所述的利用水玻璃通过反相悬浮分散高效制备微米级二氧化硅微球的方法，其特征在于：所述单分散微米级无定型二氧化硅微球粒径为1～500μm，比表面积为5～800m2/g，孔体积为0.17～0.43cm3/g。

10.根据权利要求1所述的利用水玻璃通过反相悬浮分散高效制备微米级二氧化硅微球的方法，其特征在于：所述制备微米级二氧化硅微球的方法中，无需使用乳化剂，能实现有机相的循环利用，在循环使用30～50次，制备的单分散微米级无定型二氧化硅微球粒径为1～500μm，比表面积为5～800m2/g，孔体积为0.17～0.43cm3/g。

技术总结本发明公开了一种利用水玻璃通过反相悬浮分散高效制备微米级二氧化硅微球的方法，采用强酸制备弱酸的原理，将不同种类硅酸化合物和不同有机相按照比例混合，在高速分散的条件下滴加不同种类/浓度的酸进行反应，待析出二氧化硅微球后继续分散一段时间，经沉淀、清洗、干燥得到不同粒径的单分散微米级无定型二氧化硅微球。本发明使用的原料水玻璃成本低，无需使用乳化剂，大大简化操作流程，可实现有机相的循环利用，整个制备流程操作简单、能耗低、成本低廉、绿色环保。本发明所制备的微米级二氧化硅微球含有大量羟基，具有较大比表面积，可粒径的调控，并且球形度高，该方法在微米级二氧化硅微球制备方面具有很大的优势和应用前景。技术研发人员：王开拓,佘煜,邵琳,崔学民受保护的技术使用者：广西大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11