沉淀法制備納米二氧化硅的工藝條件優化

楊長丕，趙利啟，程米亮，易重慶，侯英杰

（1.湖南久日新材料有限公司，湖南懷化 418200；2.內蒙古久日新材料有限公司，內蒙古赤峰 025250；3.湖南恒光科技股份有限公司，湖南懷化 418200；4.河南昊華駿化集團有限公司，河南駐馬店 463000）

納米二氧化硅是一種白色無定型粉末，是一種無毒、無味、對環境無污染的無機非金屬材料，粒徑在1~100nm，具有網狀或者絮狀結構，粒徑尺寸小，比表面積大，熔點很高。它的微觀結構近似于球形，顆粒表面存在著許多不飽和殘鍵及不同鍵合狀態的羥基，是三維鏈狀結構的分子狀態[1]。納米二氧化硅由于具有小尺寸效應、宏觀量子隧道效應、表面效應和量子尺寸效應，可以產生很多獨特的磁、電、光、熱及催化等特性[2]，被廣泛應用于催化劑載體、橡膠、陶瓷材料、涂料、高分子聚合材料、材料改性等很多方面。納米二氧化硅的制備方法按工藝可分為干法[3]和濕法兩類。干法包括電弧法和氣相法；濕法有超重力法[4]、微乳液法[5]、溶膠凝膠法、沉淀法[6]等。干法制備的產品純度較高，性能也較好，但生產成本較高，能耗較大；濕法所用原料價廉易得，生產流程簡單，能耗低，但產品純度不高。

以硅酸鈉、鹽酸為原料，用十二烷基苯磺酸鈉與司班混合表面活性劑為分散劑，制備了納米二氧化硅，探討了溶液pH、水加入量、司班加入量、十二烷基苯磺酸鈉與司班的質量比、加熱溫度對納米二氧化硅制備的影響，確定了納米二氧化硅制備的最佳工藝條件。對最佳工藝條件下制備的納米二氧化硅，采用原子力顯微鏡掃描進行了粒徑分析。

1 實驗部分

1.1 主要試劑及儀器

硅酸鈉；十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）；司班；鹽酸；乙醇。DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器；800型電動離心沉淀器；STDZF-6021型真空干燥箱；KSW-6-12溫度控制器；pHS-3C型酸度計；Dimensionicon PT原子力顯微鏡。

實驗用水為去離子水。

1.2 實驗方法

稱取10.00g硅酸鈉和少量混合表面活性劑于燒杯中，加入一定量的水使物質溶解。將燒杯置于一定溫度的恒溫加熱磁力攪拌器中，調到適宜的攪拌速度。將質量分數37%的鹽酸稀釋至5%后，置于恒壓式分液漏斗內。控制滴定速度，將鹽酸緩慢滴入到硅酸鈉溶液中，直至達到控制的pH。滴定完成，將其用離心管裝好后置于電動沉淀器上，調節一定轉速，使其沉淀分離出來。將沉淀用定量蒸餾水進行兩次離心洗滌，將洗滌后沉淀置于60℃干燥箱中干燥12h。干燥后將其置于500℃馬弗爐中焙燒2.5h，取出，冷卻，磨碎，即得到納米二氧化硅產品。

1.3 分析表征

將制備的二氧化硅粉體取0.01g于10mL無水乙醇中分散均勻并靜置一段時間后，取少量上層清液滴于云母片上，真空抽干溶劑，采用原子力顯微鏡掃描分析其粒徑大小；溶液pH采用酸度計測定。

2 結果與討論

2.1 溶液pH對納米SiO2制備的影響

控制硅酸鈉加入量為10.00g，司班加入量為0.15g，十二烷基苯磺酸鈉與司班的質量比為1∶1，水加入量為40mL，加熱溫度為30℃，通過加入5%的鹽酸調節溶液的pH，考察了溶液pH對納米SiO2制備的影響，結果見表1。由表1可知，隨著溶液pH增大，產物的產量和產率增大，產物的粒徑減小。滿足納米SiO2的粒徑范圍為1~100nm，則符合要求的溶液pH為4.0~5.0，綜合考慮，適宜的溶液pH為5.0。

表1 溶液pH對納米SiO2制備的影響

2.2 水加入量對納米SiO2制備的影響

控制硅酸鈉加入量為10.00g，司班加入量為0.15g，十二烷基苯磺酸鈉與司班的質量比為1∶1，溶液pH為5.0，加熱溫度為30℃，考察了水加入量對納米SiO2制備的影響，結果見表2。由表2可知，水加入量在20~40mL時，產物的產量和產率增大，產物的粒徑減小；水加入量大于40mL時，產物的產量和產率增大不明顯，產物的粒徑反而增大。因此，適宜的水加入量為40mL。

表2 水加入量對納米SiO2制備的影響

2.3 十二烷基苯磺酸鈉與司班的質量比對納米SiO2制備的影響

控制硅酸鈉加入量為10.00g，司班加入量為0.15g，水加入量為40mL，溶液pH為5.0，加熱溫度為30℃，考察了十二烷基苯磺酸鈉與司班的質量比對納米SiO2制備的影響，結果見表3。由表3可知，當十二烷基苯磺酸鈉與司班的質量比在（4∶1）~（1∶1）時，產物的產量和產率減小，產物的粒徑減小，但產量和產率減小不明顯，產物的粒徑變化很大。因此，合適的十二烷基苯磺酸鈉與司班質量比為（3∶1）~（1∶1），綜合成本考慮，則十二烷基苯磺酸鈉與司班的質量比以1∶1為宜。

表3 十二烷基苯磺酸鈉與司班的質量比對納米SiO2制備的影響

2.4 加熱溫度對納米SiO2制備的影響

控制硅酸鈉加入量為10.00g，司班加入量為0.15g，十二烷基苯磺酸鈉與司班的質量比為1∶1，水加入量為40mL，溶液pH為5.0，考察了加熱溫度對納米SiO2制備的影響，結果見表4。由表4可知，當加熱溫度在20~50℃時，產物的產量和產率增大，產物的粒徑增大，且產物的粒徑變化很大。因此，適宜的加熱溫度為30℃。

表4 加熱溫度對納米SiO2制備的影響

2.5 優化實驗條件的重復性

控制硅酸鈉加入量為10.00g，司班加入量為0.15g，十二烷基苯磺酸鈉與司班的質量比為1∶1，水加入量為40mL，溶液pH為5.0，加熱溫度為30℃，重復進行3次實驗，對制備的納米SiO2三個樣品進行了分析，粒徑大小采用原子力顯微鏡掃描分析，結果為：產量為3.05g、3.09g、3.07g，產率為90.2%、91.4%、90.8%，粒徑為13.9nm、13.3nm、13.6nm。

3 結論

以硅酸鈉、鹽酸為原料，用十二烷基苯磺酸鈉和司班混合表面活性劑為分散劑，制備了納米二氧化硅的最佳工藝條件為：硅酸鈉加入量為10.00g，司班加入量為0.15g，十二烷基苯磺酸鈉與司班的質量比為1∶1，水加入量為40mL，溶液pH為5.0，加熱溫度為30℃。最佳工藝條件下制備的納米SiO2，平均產量為3.07g，平均產率為90.8%，平均粒徑為13.6nm，產品質量優良。