способ получения нанопорошка аморфного диоксида кремния
Классы МПК: | B22F9/20 из твердых металлических соединений C01B33/18 получение тонкодисперсного диоксида кремния в форме иной, чем золь или гель; последующая обработка его B82Y30/00 Нано-технология материалов или поверхностных эффектов, например нано-композиты |
Автор(ы): | Власов Олег Анатольевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский федеральный университет" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2012-02-21 публикация патента:
27.07.2013 |
Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам получения нанопорошков диоксида кремния. Для упрощения способа получения нанопоршка аморфного диоксида кремния и очистки порошка от невозгоняемых примесей загрузку измельченного диоксида кремния осуществляют в верхнюю часть реакционного объема тигля, а углеродистого восстановителя - в нижнюю часть, отделенную от верхней части перегородкой. Восстановление диоксида кремния осуществляют продувкой парами воды при их подаче в нижнюю часть реакционного объема тигля при температуре 1150-1250°С. Выведение продуктов реакции проводят через верхнюю часть реакционного объема тигля с осаждением восстановленного аморфного нанопорошка диоксида кремния. 1 ил., 3 пр.
Формула изобретения
Способ получения нанопорошка диоксида кремния, включающий загрузку в реакционный объем тигля измельченного диоксида кремния и углеродистого восстановителя, восстановление диоксида кремния и осаждение аморфного диоксида кремния, отличающийся тем, что загрузку измельченного диоксида кремния осуществляют в верхнюю часть реакционного объема тигля, а углеродистого восстановителя - в нижнюю часть, отделенную от верхней части перегородкой, восстановление диоксида кремния осуществляют продувкой парами воды при их подаче в нижнюю часть реакционного объема тигля при температуре 1150-1250°С, выведение продуктов реакции проводят через верхнюю часть реакционного объема тигля с осаждением восстановленного аморфного нанопорошка диоксида кремния.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к способам получения напопорошков оксидов металлов в частности нанопорошков диоксида кремния.
Существуют способы получения нанопорошков. В способе получения металлических нанопорошков разложением карбонила металла при использовании индукционной плазменной горелки РФ № 2008152775 включающий обеспечение наличия карбонила металла, введение карбонила металла в индукционную плазменную горелку, проведение разложения карбонила металла внутри индукционной плазменной горелки с образованием наноразмерных металлических частиц, быстрое охлаждение наноразмерных металлических частиц и сбор наноразмерных частиц. Недостатком данного способа является перевод металлов в их карбонилы, а так же карбонил металла подвергается воздействию температуры примерно 3000-11000 К в индукционной плазменной горелке, что требует использование плазменного оборудования.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ получения нанопорошка диоксида кремния (патент KR 20110003013 А, В28В 3/00, 11.01.2011) Способ включает загрузку в реакционный объем измельченного диоксида кремния и осаждение аморфного диоксида кремния. Однако кислород вводят в смеси газа Ar:О2 в соотношении 1:5, при изменении расхода в пределах 1,5-3,5 литров в минуту и сохранении давления в области 0,76-760 торр для управления реакцией в пределах 800-1200°С, что усложняет процесс.
Задачей данного способа, является упрощение процесса получения нанопорошка аморфного диоксида кремния.
Решение поставленной задачи достигают тем, что в способе получения нанопоршка аморфного диоксида кремния включающем загрузку в реакционный объем тигля измельченного диоксида кремния и углеродистого восстановителя, восстановление диоксида кремния и осаждение аморфного диоксида кремния, согласно изобретению, загрузку измельченного диоксида кремния осуществляют в верхнюю часть реакционного объема тигля, а углеродистого восстановителя в нижнюю часть, отделенную от верхней части перегородкой, восстановление диоксида кремния осуществляют продувкой парами воды, при их подаче в нижнюю часть реакционного объема тигля при температуре 1150-1250°С, выведение продуктов реакции проводят через верхнюю часть реакционного объема тигля с осаждением восстановленного аморфного панопорошка диоксида кремния.
При получении нанопорошка аморфного диоксида кремния по предлагаемому способу используют измельченный диоксид кремния, например, кварцевый песок, углеродистый восстановитель (каменноугольный кокс) и пары воды, которые, в свою очередь, взаимодействуют с углеродистым восстановителем с образованием газообразных водорода и мопооксида углерода при температуре выше 740°С по реакции:
Продукты реакции (1) восстанавливают диоксид кремния при температуре выше 1150°С до газообразного монооксида кремния:
Наличие водорода в реакции (2) снижает температуру начала реакции (2) по сравнению с тем, если бы в качестве восстановителя использовался монооксид углерода.
Полученный газообразный монооксид кремния, взаимодействуя с кислородом паров воды, образует диоксид кремния, который осаждается выходя из реактора:
Однако, повышая температуру, практически одновременно, протекающих реакций 2 и 3 свыше 1250°С увеличивается вероятность появления в продуктах реакции SiO.
Полученный диоксид кремния образуется при температурах (не более 1250°С) значительно ниже температуры плавления SiO2 , что предотвращает коагуляцию получаемых частиц SiO2 и способствует получению мелкодисперсных частиц, а практически полное отсутствие интервала перехода SiO(г) SiO2(T) делает возможным получение аморфных частиц.
Для получения напопорошка аморфного диоксида кремния но заявляемому способу использовали установку (чертеж), состоящую из керамического тигля 1, опрокинутого вверх дном (реакционный объем), в верхнюю часть которого загружали измельченный диоксид кремния 2, а в нижнюю углеродистый восстановитель - каменноугольный кокс 3. Диоксид кремния и каменноугольный кокс разделяли картонной перегородкой для предотвращения перемешивания при установке тигля в нечь 4 с регулируемой температурой работающую в области температур 20-1300°С. В дне тигля просверлено два отверстия, в одно из которых вставлена алундовая трубка 5, для подачи паров воды, а во второе алундовая трубка большего диаметра 6 для удаления продуктов реакции. Место сочленения алундовых трубок и тигля уплотнено газонепроницаемой обмазкой для предотвращения выхода газов. Через алундовую трубку 5, соединенную с мерной колбой 7 с помощью силиконовой магистрали 8, продували пары воды. Алундовая трубка 5 для подачи паров воды устанавливалась так, чтобы ее нижний конец был помещен в углеродистый восстановитель 3. Пары воды образовывались в результате нагревания воды в колбе 7 печью сопротивления 9. Температура в печи стабилизировалась автоматическим регулятором температуры. Водород образовывался в результате взаимодействия паров воды с углеродом нефтекокса но реакции 1 с 740°С.
В качестве исходных продуктов использовали кварцевый песок и углеродистый восстановитель - каменноугольный кокс с содержанием углерода ~ 92%.
Измерение размеров частиц полученного порошка диоксида кремния показывают, что они меньше 100 нм. Это позволяет назвать полученные порошки - нанопорошками. Ренттенофазовый анализ позволил сделать вывод о аморфном состоянии полученных порошков.
Способ поясняется следующими примерами.
Пример 1. В алундовый тигель засыпали кварцевый песок и углеродистый восстановитель - каменноугольный кокс в порядке описанном выше, устанавливали в силитовую печь, нагревали до температуры 1100°С и пропускали пар воды. Анализ отходящих продуктов показал наличие H2, паров H 2O, CO и отсутствие как SiO, так и SiO2.
Пример 2. В алундовый тигель засыпали кварцевый песок и углеродистый восстановитель - каменноугольный кокс в порядке описанном выше, устанавливали в силитовую печь, нагревали до температуры 1175°С и пропускали пар воды. Реакция образования порошка SiO2 шла интенсивно. Кроме того в продуктах реакции обнаружены Н2, пары H2O, СО, СО 2. SiO в продуктах реакции практически отсутствовало.
Пример 3. В алундовый тигель засыпали кварцевый песок и углеродистый восстановитель - каменноугольный кокс в порядке описанном выше, устанавливали в силитовую печь, нагревали до температуры 1300°С и пропускали пары воды. В продуктах реакции обнаружены Из, пары H2O, СО, СО2, SiO 2, SiO. Реакция образования порошка SiO2 шла с пониженным выходом в связи с не полным окислением SiO.
Таким образом, показана возможность получения нанонорошков диоксида кремния без использования высокотемпературной плазмы, интенсивного импульсного электронного пучка и вакуума. Кроме того, перегонка диоксида кремния через газовую фазу SiO2(т) SiO(г) SiO2(т) очищает полученный порошок диоксида кремния от не возгоняемых примесей (в указанном диапазоне температур) содержащихся в исходном диоксиде кремния.
Класс B22F9/20 из твердых металлических соединений
Класс C01B33/18 получение тонкодисперсного диоксида кремния в форме иной, чем золь или гель; последующая обработка его
Класс B82Y30/00 Нано-технология материалов или поверхностных эффектов, например нано-композиты