СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОПОРОШКА АМОРФНОГО ДИОКСИДА КРЕМНИЯ Российский патент 2013 года по МПК B22F9/20 C01B33/18 B82Y30/00 

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:

$$H_2{O}_{(г)}+{С}_{(т)}=2H_{(г)}+C{O}_{(г)}.(1)$$

Продукты реакции (1) восстанавливают диоксид кремния при температуре выше 1150°С до газообразного монооксида кремния:

$$2Si{O}_2+H_2+CO=2Si{O}_{(г)}+H_{2}O+C{O}_2(2)$$

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:

$$Si{O}_{(г)}+H_{2}O=Si{O}_2+H_2.(3)$$

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)→SiO_2(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 H₂O, 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, СО₂. 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, SiO₂, 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 SiO_2(т)→SiO_(г)→SiO_2(т) очищает полученный порошок диоксида кремния от не возгоняемых примесей (в указанном диапазоне температур) содержащихся в исходном диоксиде кремния.

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.

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.