Способ получения наноразмерного диоксида кремния Российский патент 2025 года по МПК C01B33/12 B82B3/00 

Область техники

Изобретение относится к области нанотехнологий и наноматериалов, а именно к получению наноразмерных частиц диоксида кремния газофазным методом, и может быть использован в строительстве, в радиотехнике, в изготовлении резины и других огнеупорных материалов.

Уровень техники

Известен способ получения диоксида кремния, предложенный в патенте RU № 2 747 934, C01B. Способ включает взаимодействие кварцсодержащего сырья с фторидом, гидродифторидом аммония или их смесью, сублимационное отделение кремнефторида аммония для очистки от примесей металлов, улавливание газообразного кремнефторида аммония, его десублимацию, растворение кремнефторида аммония в воде, обработку раствора аммиачной водой с последующим отделением синтетического диоксида кремния. Очистку кремнефторида аммония от примесей неметаллов проводят на стадии улавливания газообразного кремнефторида аммония через его десублимацию при температуре 70-120°C.

В описании данного технического решения не указана возможность получения наноразмерных частиц диоксида кремния, что свидетельствует о том, что данное техническое решение не позволяет получать наноразмерный порошок диоксида кремния. Также недостатком этого способа является сложность и многостадийность процесса.

Также известен способ получения диоксида кремния RU 2357925, C01B заключающийся в том, что проводят механическое смешение исходного кремнийсодержащего сырья и фторида - гидродифторида аммония при комнатной температуре до прекращения выделения аммиака и воды. Полученную шихту нагревают до температуры 320-340°С до полного отделения газообразного гексафторсиликата аммония. Гидролиз газообразного гексафторсиликата аммония проводят орошением аммиачной водой.

Недостатками этого способа является получение продукта, загрязнённого примесями легколетучих соединений, в частности, бора и фосфора, также не возможность проведения процесса в беспрерывном режиме. Данный метод не позволяет получать наноразмерные частицы диоксида кремния.

Наиболее близким предлагаемому изобретению является решение, предложенное в работе (A.V. Vorotyntsev, A.N. Markov, A.A. Kapinos, et. al. Direct synthesis of nanostructural and nanospherical silica using induction jet levitation: synthesis, design and catalytic application // Materials Today Chemistry.-2022. V.26). Данный способ включает в себя испарение кремния в расплавленном состоянии в высокочастотном электромагнитном поле, для этого кремний предварительно нагревают до температуры 1000°С. Затем испарившейся кремний окисляют газовой смесью аргона с кислородом, в которой содержание кислорода от 25 об.% до 40 об.%, конденсируют, охлаждают и собирают на фильтре. Давление во время синтеза сферических частиц поддерживают равным 3·10⁴ Па.

Данный способ позволяет получать частицы диоксида кремния со средним размером 23 нм. Но данный способ обладает рядом недостатков. Одним из которым является получение полых наночастиц, из-за чего полученные наночастицы обладают низкой удельной поверхностью. Другим недостатком данного способа является использование газовой смеси аргона и кислорода, подаваемого сверху в реактор, из-за чего капля расплавленного кремния напитывается кислородом и дальнейшее ее поддержании в состоянии левитации невозможно, таким образом данный метод не позволяет получать диоксид кремния в непрерывном режиме. Еще одним недостатком данного способа является загрязнение получаемых частиц диоксида кремния исходным порошком кремния, который применяется для восполнения испаряемой капли, так как небольшая его часть пролетает мимо расплавленной капли и попадает на фильтр.

Сущность изобретения

Целью данного изобретения является разработка способа получения наноразмерного диоксида кремния в виде наноразмерных частиц с размером частиц в диапазоне от 12- 24 нм экологически безопасным способом в непрерывном режиме и с высокой производительностью метода получения наноразмерного порошка диоксида кремния, до 15 г/ч, с возможностью регулировать средний размер наночастиц, в диапазоне от 12- 24 нм, тем самым расширяя области его применения.

Описание изобретения

Технический результат изобретения достигается путем получения наноразмерного диоксида кремния в реакторе вертикальной ориентации, в пространство которого помещают противоточный индуктор под которым устанавливают омический нагреватель, сверху в область нагревателя помещают затравку из кремния в виде шара и производят предварительный нагрев для увеличения электропроводимости кремния, затем предварительно разогретую затравку помещают в высокочастотное поле противоточного индуктора и нагревают кремний в высокочастотном электромагнитном поле до температуры плавления, расплавленную каплю подвешивают в состоянии левитации между витками противоточного индуктора и испаряют в непрерывном ламинарном потоке газа-носителя, потоком газа-носителя обеспечивают перенос паров кремния в зону конденсации и вынос горячих наночастиц кремния в зону реакции, зону реакции организуют ниже зоны конденсации по потоку, путем ввода дополнительного газа-реагента и обеспечивают протекание реакции окисления наночастиц кремния, обеспечивают унос образовавшихся наночастиц диоксида кремния в зону охлаждения, после чего наночастицы улавливают на фильтре.

Схема осуществления предлагаемого способа получения наноразмерного порошка диоксида кремния приведена на фиг. 1. В круглый реактор (1), изготовленный из кварцевой трубки или другого диэлектрического материала, помещают затравку в виде шара таким образом, чтобы затравка была в области омического нагревателя (2). Нагревателем (2) предварительно нагревают затравку до 700-900 °C, затем разогретую затравку помещают в область высокочастотного электромагнитного поля противоточного индуктора (3) и нагревают до температуры плавления. В области электромагнитного поля индуктора (3) получают каплю расплавленного кремния (4). Полученную каплю кремния (4) подвешивают в область между витками индуктора (3) в состоянии бесконтактной левитации за счет уравновешивания сил, действующих на нее, и обеспечивают беспрерывное испарение кремния под температурным воздействием. Восполнение испаряемой капли осуществятся беспрерывной подачей кремниевого стержня (5) в расплавленную каплю кремния (4). Нисходящим ламинарным потоком газа-носителя (6), осуществляют перенос паров кремния в область конденсации (7), а затем в область реакции (8), которую организуют ниже по потоку путем дополнительного ввода газа-реагента (9) через кольцевой натекатель (10). В области реакции обеспечивают протекание реакции окисления кремния кислородом. Образовавшиеся наночастицы диоксида кремния вместе с потоком газа-носителя направляют на предварительное охлаждение, затем полученные наночастицы собирают на тканевом фильтре.

Восполнение испаряющейся капли осуществляют непрерывной равномерной подачей кремниевого стержня с верху, в качестве газа-носителя используют инертные газы, а в качестве газа-реагента используют кислород.

Сущность осуществления предлагаемого способа получения наноразмерного порошка диоксида кремния поясняется следующими фигурами.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1. Схема устройства для предлагаемого способа получения наноразмерного порошка диоксида кремния. 1 – реактор, 2 – омический нагреватель, 3 – противоточный индуктор , 4 – капля расплавленного кремния, 5 – кремниевый стержень, 6 – ламинарный поток газа-носителя, 7 – область конденсации, 8 – область реакции, 9 – поток газа-реагента, 10 – кольцевой натекатель.

СЭМ (сканирующая электронная микроскопия) изображение полученных наночастиц представлено на фиг. 2, распределение наноразмерных частиц диоксида кремния по размерам – фиг. 3.

Изобретение относится к получению диоксида кремния в виде наноразмерного порошка. Предложенный способ получения диоксида кремния включает испарение капли расплавленного кремния в высокочастотном электромагнитном поле противоточного индуктора, в котором она находится в состоянии левитации, унос паров кремния в зону конденсации обеспечивают нисходящим ламинарным потоком газа носителя, окисление кремния кислородом в зоне реакции, перенос образовавшегося диоксида кремния в область охлаждения. Затем полученный порошок собирают на фильтре. Непрерывность получения наноразмерного порошка диоксида кремния обеспечивается восполнением испаряемой капли равномерной подачей в нее кремниевого стержня со скоростью 10-15 г/ч. Готовый продукт представляет собой порошок диоксида кремния со средним размером частиц в диапазоне 12-24 нм. В качестве газа-носителя используют инертные газы, а в качестве газа-реагента кислород. Предложенный способ позволяет регулировать размер частиц в получаемом наноразмерном порошке диоксида кремния. 3 ил.

Способ получения наноразмерного диоксида кремния, включающий предварительный нагрев кремния до температуры 700-900°С, затем разогрев до температуры плавления и подвешенного в состоянии левитации в высокочастотном поле противоточного индуктора, его испарение, окисление и перенос образовавшихся наночастиц в зону предварительного охлаждения и дальнейший сбор на тканевом фильтре, при этом восполнение капли осуществляют равномерной беспрерывной подачей кремниевого стержня в расплавленную каплю, а окисление кремния ведут путем дополнительного ввода газа-реагента в виде кислорода ниже капли по потоку, отличающийся тем, что давление в зоне реактора поддерживают равным 10⁵–5⋅10⁴ Па, расход газа-носителя составляет 0,3–1,2 норм. м³/ч, расход газа-реагента кислорода составляет 0,6–0,9 норм. м³/ч, восполнение испаряющейся капли осуществляют непрерывной равномерной подачей кремниевого стержня со скоростью 10–15 г/ч, с возможностью регулировать средний размер наночастиц в диапазоне от 12-24 нм.