沉淀法制备纳米二氧化硅的工艺条件优化

杨长丕，赵利启，程米亮，易重庆，侯英杰

（1.湖南久日新材料有限公司，湖南怀化 418200；2.内蒙古久日新材料有限公司，内蒙古赤峰 025250；3.湖南恒光科技股份有限公司，湖南怀化 418200；4.河南昊华骏化集团有限公司，河南驻马店 463000）

纳米二氧化硅是一种白色无定型粉末，是一种无毒、无味、对环境无污染的无机非金属材料，粒径在1~100nm，具有网状或者絮状结构，粒径尺寸小，比表面积大，熔点很高。它的微观结构近似于球形，颗粒表面存在着许多不饱和残键及不同键合状态的羟基，是三维链状结构的分子状态[1]。纳米二氧化硅由于具有小尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面效应和量子尺寸效应，可以产生很多独特的磁、电、光、热及催化等特性[2]，被广泛应用于催化剂载体、橡胶、陶瓷材料、涂料、高分子聚合材料、材料改性等很多方面。纳米二氧化硅的制备方法按工艺可分为干法[3]和湿法两类。干法包括电弧法和气相法；湿法有超重力法[4]、微乳液法[5]、溶胶凝胶法、沉淀法[6]等。干法制备的产品纯度较高，性能也较好，但生产成本较高，能耗较大；湿法所用原料价廉易得，生产流程简单，能耗低，但产品纯度不高。

以硅酸钠、盐酸为原料，用十二烷基苯磺酸钠与司班混合表面活性剂为分散剂，制备了纳米二氧化硅，探讨了溶液pH、水加入量、司班加入量、十二烷基苯磺酸钠与司班的质量比、加热温度对纳米二氧化硅制备的影响，确定了纳米二氧化硅制备的最佳工艺条件。对最佳工艺条件下制备的纳米二氧化硅，采用原子力显微镜扫描进行了粒径分析。

1 实验部分

1.1 主要试剂及仪器

硅酸钠；十二烷基苯磺酸钠（SDBS）；司班；盐酸；乙醇。DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器；800型电动离心沉淀器；STDZF-6021型真空干燥箱；KSW-6-12温度控制器；pHS-3C型酸度计；Dimensionicon PT原子力显微镜。

实验用水为去离子水。

1.2 实验方法

称取10.00g硅酸钠和少量混合表面活性剂于烧杯中，加入一定量的水使物质溶解。将烧杯置于一定温度的恒温加热磁力搅拌器中，调到适宜的搅拌速度。将质量分数37%的盐酸稀释至5%后，置于恒压式分液漏斗内。控制滴定速度，将盐酸缓慢滴入到硅酸钠溶液中，直至达到控制的pH。滴定完成，将其用离心管装好后置于电动沉淀器上，调节一定转速，使其沉淀分离出来。将沉淀用定量蒸馏水进行两次离心洗涤，将洗涤后沉淀置于60℃干燥箱中干燥12h。干燥后将其置于500℃马弗炉中焙烧2.5h，取出，冷却，磨碎，即得到纳米二氧化硅产品。

1.3 分析表征

将制备的二氧化硅粉体取0.01g于10mL无水乙醇中分散均匀并静置一段时间后，取少量上层清液滴于云母片上，真空抽干溶剂，采用原子力显微镜扫描分析其粒径大小；溶液pH采用酸度计测定。

2 结果与讨论

2.1 溶液pH对纳米SiO2制备的影响

控制硅酸钠加入量为10.00g，司班加入量为0.15g，十二烷基苯磺酸钠与司班的质量比为1∶1，水加入量为40mL，加热温度为30℃，通过加入5%的盐酸调节溶液的pH，考察了溶液pH对纳米SiO2制备的影响，结果见表1。由表1可知，随着溶液pH增大，产物的产量和产率增大，产物的粒径减小。满足纳米SiO2的粒径范围为1~100nm，则符合要求的溶液pH为4.0~5.0，综合考虑，适宜的溶液pH为5.0。

表1 溶液pH对纳米SiO2制备的影响

2.2 水加入量对纳米SiO2制备的影响

控制硅酸钠加入量为10.00g，司班加入量为0.15g，十二烷基苯磺酸钠与司班的质量比为1∶1，溶液pH为5.0，加热温度为30℃，考察了水加入量对纳米SiO2制备的影响，结果见表2。由表2可知，水加入量在20~40mL时，产物的产量和产率增大，产物的粒径减小；水加入量大于40mL时，产物的产量和产率增大不明显，产物的粒径反而增大。因此，适宜的水加入量为40mL。

表2 水加入量对纳米SiO2制备的影响

2.3 十二烷基苯磺酸钠与司班的质量比对纳米SiO2制备的影响

控制硅酸钠加入量为10.00g，司班加入量为0.15g，水加入量为40mL，溶液pH为5.0，加热温度为30℃，考察了十二烷基苯磺酸钠与司班的质量比对纳米SiO2制备的影响，结果见表3。由表3可知，当十二烷基苯磺酸钠与司班的质量比在（4∶1）~（1∶1）时，产物的产量和产率减小，产物的粒径减小，但产量和产率减小不明显，产物的粒径变化很大。因此，合适的十二烷基苯磺酸钠与司班质量比为（3∶1）~（1∶1），综合成本考虑，则十二烷基苯磺酸钠与司班的质量比以1∶1为宜。

表3 十二烷基苯磺酸钠与司班的质量比对纳米SiO2制备的影响

2.4 加热温度对纳米SiO2制备的影响

控制硅酸钠加入量为10.00g，司班加入量为0.15g，十二烷基苯磺酸钠与司班的质量比为1∶1，水加入量为40mL，溶液pH为5.0，考察了加热温度对纳米SiO2制备的影响，结果见表4。由表4可知，当加热温度在20~50℃时，产物的产量和产率增大，产物的粒径增大，且产物的粒径变化很大。因此，适宜的加热温度为30℃。

表4 加热温度对纳米SiO2制备的影响

2.5 优化实验条件的重复性

控制硅酸钠加入量为10.00g，司班加入量为0.15g，十二烷基苯磺酸钠与司班的质量比为1∶1，水加入量为40mL，溶液pH为5.0，加热温度为30℃，重复进行3次实验，对制备的纳米SiO2三个样品进行了分析，粒径大小采用原子力显微镜扫描分析，结果为：产量为3.05g、3.09g、3.07g，产率为90.2%、91.4%、90.8%，粒径为13.9nm、13.3nm、13.6nm。

3 结论

以硅酸钠、盐酸为原料，用十二烷基苯磺酸钠和司班混合表面活性剂为分散剂，制备了纳米二氧化硅的最佳工艺条件为：硅酸钠加入量为10.00g，司班加入量为0.15g，十二烷基苯磺酸钠与司班的质量比为1∶1，水加入量为40mL，溶液pH为5.0，加热温度为30℃。最佳工艺条件下制备的纳米SiO2，平均产量为3.07g，平均产率为90.8%，平均粒径为13.6nm，产品质量优良。