Способ получения оболочек диоксида кремния на поверхности неорганических наночастиц Российский патент 2020 года по МПК C01B33/143 B82Y30/00 

Изобретение относится к области создания композиционных наноматериалов, а именно к способам получения оболочек диоксида кремния на поверхности наночастиц соединений металлов и может быть использовано для создания гибридных материалов, эффективных в области катализа, способность придания гидрофильных свойств поверхности наночастиц, увеличивать смешиваемость с матрицами при создании композиционных материалов, использовать данные частицы в качестве антибликовых систем в оптической технике и гидрофильных покрытий.

Неорганические наночастицы с оболочкой диоксида кремния представляют из себя систему, в которой ядром является неорганическая наночастица, в качестве которой могут выступать наночастицы оксидов, гидроксидов и боратов алюминия, цинка, железа, магния, золота и других металлов, в качестве оболочки нанесено покрытие из диоксида кремния, толщиной от нескольких единиц, до сотен нанометров.

Известен способ получения оболочек диоксида кремния на поверхности наночастиц (US 20120237668 (А1), опубл.. 20.09.2012), который позволяет получить покрытие из диоксида кремния путем диспергирования твердых наночастиц в водной буферной среде с образованием дисперсии и последующего добавления раствора щелочного силиката с рН>7 к дисперсии с образованием покрытия из двуокиси кремния. Недостатком данного изобретения является необходимость использования поверхностно -активных веществ при синтезы оболочек, отсутствие возможности получения оболочек диоксида кремния различной толщины.

Известен способ получения оболочек диоксида кремния на поверхности частиц (CN 1216567 (А), опубл. 12.05.1999), позволяющий получить частицы, содержащие плотную оболочку из двуокиси кремния и сердцевину другого материала путем быстрого осаждения активного диоксида кремния из водного раствора силиката щелочного металла с регулированием рН с помощью подкисляющего агента. Недостатком данного изобретения является отсутствие возможности получения оболочек диоксида кремния различной толщины.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является техническое решение, описанное в патенте US 6132773 (А) (прототип).

Технической задачей на решение которой направлено данное изобретение является возможность создания гибридных материалов, эффективных в области катализа, способность придания гидрофильных свойств поверхности наночастиц, увеличивать смешиваемость с матрицами при создании композиционных материалов, использовать данные частицы в качестве антибликовых систем в оптической технике и гидрофильных покрытий.

Техническим результатом, достигаемым при использовании настоящего изобретения, является возможность получения оболочек диоксида кремния на поверхности неорганических наночастиц в водной суспензии методом химического осаждения из раствора, в качестве прекурсора для получения оболочек диоксида кремния используется метосиликат натрия растворенный в водной фазе суспензии наночастиц, на которых происходит осаждение.

Толщина получаемого слоя диоксида кремния может регулироваться в зависимости от параметров проведения процесса от нескольких единиц до сотен нанометров. В качестве ядер могут быть использованы наночастицы неорганических соединений металлов различной формы.

Предлагаемый способ получения оболочек диоксида кремния на поверхности частиц заключается в следующем:

1. Неорганические наночастицы диспергируются в бидистилированной воде при помощи ультразвукового диспергатора для разрушения агломератов частиц. Соотношение массы наночастиц и воды лежит в пределах 1 к 500-1000, соответственно.

2. В полученную суспензию неорганических наночастиц добавляется водный раствор метасиликата натрия. Концентрация метасиликата натрия может варьироваться в пределах 0,001-0,1 моль/литр, для получения оболочек различной толщины.

3. К суспензии с добавленным раствором метасиликата натрия при перемешивании 1000 об/мин и температуре 25°С со скоростью 3 мл/мин добавляется водный раствор соляной кислоты. Концентрация и объем раствора соляной кислоты эквивалентны концентрации и объему раствора метасиликата натрия.

4. После добавления раствора соляной кислоты, смесь выдерживается в течение 8 часов без остановки перемешивания при комнотной температуре. После чего центрифугируется и промывается.

5. Сушку полученных наночастиц с оболочками из диоксида кремния проводят в течении 12 часов при температуре 120°С.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется нижеприведенными примерами.

Пример 1

Неорганические наночастицы оксида железа (3) гексагональной формы, с размеров грани 81 нм, диспергируют в бидистилированной воде при помощи ультразвукового диспергатора для разрушения агломератов частиц. Масса частиц, взятых для диспергирования равна 1 г. Соотношение массы наночастиц и воды равняется 1 к 500. В полученную суспензию неорганических наночастиц добавляют водный раствор метасиликата натрия. Концентрация метасиликата натрия 0,01 моль/литр. К суспензии с добавленным раствором метасиликата натрия при перемешивании 1000 об/мин и температуре 25°С со скоростью 3 мл/мин добавляет 500 мл водного раствора соляной кислоты, с концентрацией 0,01 моль/литр. После добавления раствора соляной кислоты, смесь выдерживает в течение 8 часов без остановки перемешивания при комнатной температуре. После чего центрифугируют и промывают. Сушку полученных наночастиц оксида железа (3) с оболочками из диоксида кремния проводят в течении 12 часов при температуре 120°С. Характеристики полученных наночастиц с оболочкой оксида кремния приведены в таблице 1 (образец №1).

Пример 2

Неорганические наночастицы оксида цинка сферической формы, с диаметром частиц 50 нм, диспергируют в бидистилированной воде при помощи ультразвукового диспергатора для разрушения агломератов частиц. Масса частиц, взятых для диспергирования равна 1 г. Соотношение массы наночастиц и воды равняется 1 к 500. В полученную суспензию неорганических наночастиц добавляют водный раствор метасиликата натрия. Концентрация метасиликата натрия 0,01 моль/литр. К суспензии с добавленным раствором метасиликата натрия при перемешивании 1000 об/мин и температуре 25°С со скоростью 3 мл/мин добавляют 500 мл водного раствора соляной кислоты, с концентрацией 0,01 моль/литр. После добавления раствора соляной кислоты, смесь выдерживают в течение 8 часов без остановки перемешивания при комнотной температуре. После чего центрифугируют и промывают. Сушку полученных наночастиц оксида железа (3) с оболочками из диоксида кремния проводят в течении 12 часов при температуре 120°С. Характеристики полученных наночастиц с оболочкой оксида кремния приведены в таблице 1 (образец №2).

Пример 3

Неорганические наночастицы оксида цинка сферической формы, с диаметром частиц 50 нм, диспергируют в бидистилированной воде при помощи ультразвукового диспергатора для разрушения агломератов частиц. Масса частиц, взятых для диспергирования равна 1 г. Соотношение массы наночастиц и воды равняется 1 к 1000. В полученную суспензию неорганических наночастиц добавляют водный раствор метасиликата натрия. Концентрация метасиликата натрия 0,1 моль/литр. К суспензии с добавленным раствором метасиликата натрия при перемешивании 1000 об/мин и температуре 25°С со скоростью 3 мл/мин добавляют 1000 мл водного раствора соляной кислоты, с концентрацией 0,1 моль/литр. После добавления раствора соляной кислоты, смесь выдерживают в течение 8 часов без остановки перемешивания при комнотной температуре. После чего центрифугируют и промывают. Сушку полученных наночастиц оксида железа (3) с оболочками из диоксида кремния проводят в течении 12 часов при температуре 120°С. Характеристики полученных наночастиц с оболочкой оксида кремния приведены в таблице 1 (образец №3).

Пример 4

Неорганические наночастицы гидроксида магния, в форме гексоганальных пластинок с размером грани 30 нм и толщиной частиц порядка 10 нм, диспергируют в бидистилированной воде при помощи ультразвукового диспергатора для разрушения агломератов частиц. Масса частиц, взятых для диспергирования равна 1 г. Соотношение массы наночастиц и воды равняется 1 к 500. В полученную суспензию неорганических наночастиц добавляют водный раствор метасиликата натрия. Концентрация метасиликата натрия 0,01 моль/литр. К суспензии с добавленным раствором метасиликата натрия при перемешивании 500 об/мин и температуре 25°С со скоростью 3 мл/мин добавляется 500 мл водного раствора соляной кислоты, с концентрацией 0,01 моль/литр. После добавления раствора соляной кислоты, смесь выдерживают в течение 8 часов без остановки перемешивания при комнотной температуре. После чего центрифугируют и промывают. Сушку полученных наночастиц оксида железа (3) с оболочками из диоксида кремния проводят в течении 12 часов при температуре 120°С. Характеристики полученных наночастиц с оболочкой оксида кремния приведены в таблице 1 (образец №4).

Пример 5

Неорганические наночастицы бората цинка сферической формы, с диаметром частиц 60 нм, диспергируют в бидистилированной воде при помощи ультразвукового диспергатора для разрушения агломератов частиц. Масса частиц, взятых для диспергирования равна 1 г. Соотношение массы наночастиц и воды равняется 1 к 700. В полученную суспензию неорганических наночастиц добавляют водный раствор метасиликата натрия. Концентрация метасиликата натрия 0,015 моль/литр. К суспензии с добавленным раствором метасиликата натрия при перемешивании 1000 об/мин и температуре 25°С со скоростью 3 мл/мин добавляется 700 мл водного раствора соляной кислоты, с концентрацией 0,015 моль/литр. После добавления раствора соляной кислоты, смесь выдерживают в течение 8 часов без остановки перемешивания при комнотной температуре. После чего центрифугируют и промывают. Сушку полученных наночастиц оксида железа (3) с оболочками из диоксида кремния проводят в течении 12 часов при температуре 120°С. Характеристики полученных наночастиц с оболочкой оксида кремния приведены в таблице 1 (образец №5).

Пример 6

Неорганические наночастицы оксида цинка сферической формы, с диаметром частиц 50 нм, диспергируют в бидистилированной воде при помощи ультразвукового диспергатора для разрушения агломератов частиц. Масса частиц, взятых для диспергирования равна 1 г. Соотношение массы наночастиц и воды равняется 1 к 500. В полученную суспензию неорганических наночастиц добавляют водный раствор метасиликата натрия. Концентрация метасиликата натрия 0,001 моль/литр. К суспензии с добавленным раствором метасиликата натрия при перемешивании 1000 об/мин и температуре 25°С со скоростью 3 мл/мин добавляют 500 мл водного раствора соляной кислоты, с концентрацией 0,001 моль/литр. После добавления раствора соляной кислоты, смесь выдерживают в течение 8 часов без остановки перемешивания при комнотной температуре. После чего центрифугируют и промывают. Сушку полученных наночастиц оксида железа (3) с оболочками из диоксида кремния проводят в течении 12 часов при температуре 120°С. Характеристики полученных наночастиц с оболочкой оксида кремния приведены в таблице 1 (образец №6).

Примеры технический решений изобретения

Изобретение относится к области создания композиционных наноматериалов. Предложен способ получения материала, содержащего оболочки диоксида кремния на поверхности неорганических наночастиц. Способ включает химическое осаждение диоксида кремния из раствора метасиликата натрия, содержащего неорганические наночастицы. Наночастицы диспергируют в воде воздействием ультразвука, вводят в суспензию водного раствора метасиликата натрия с концентрацией 0,001-0,1 моль/литр, добавляют при перемешивании раствор соляной кислоты при концентрации и объеме раствора соляной кислоты, эквивалентных концентрации и объему раствора метасиликата натрия. Выдерживают при перемешивании в течение 8 часов, центрифугируют, промывают и сушат. Изобретение позволяет получать оболочки диоксида кремния на поверхности неорганических наночастиц методом химического осаждения из раствора, при этом толщину слоя диоксида кремния можно регулировать от нескольких единиц до сотен нанометров. 1 табл., 6 пр.

Способ получения материала, содержащего оболочки диоксида кремния на поверхности неорганических наночастиц, включающий химическое осаждение диоксида кремния из раствора метасиликата натрия, содержащего неорганические наночастицы, отличающийся тем, что наночастицы диспергируют в воде при массовом соотношении наночастиц к воде, равном 1:(500-1000) соответственно, под воздействием ультразвука, введение в суспензию водного раствора метасиликата натрия с концентрацией 0,001-0,1 моль/литр, добавление при перемешивании водного раствора соляной кислоты при концентрации и объеме раствора соляной кислоты, эквивалентных концентрации и объему раствора метасиликата натрия, выдержку при перемешивании в течение 8 часов, центрифугирование, промывку и сушку в течение 12 часов при 120°С.