一種控制氣相二氧化硅分散粒徑的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于化學電源材料的制備領域，具體涉及一種控制氣相二氧化硅分散粒徑的方法。
【背景技術】
[0002]硫酸電解液的凝膠化是閥控式鉛酸蓄電池的重要發展方向，應用氣相二氧化硅作為膠凝劑是目前各蓄電池廠家的首選。氣相二氧化硅具有很高的化學純度和很強的觸變性，它通過在氫氧焰中燃燒熱解硅烷獲得原生微粒，微粒經碰撞凝結成含14個或更大數目S14單元的支狀初級粒子，在冷卻過程中這些初級粒子形成了聚集體，聚集體表面硬化后又經范德華力結合成更大的聚集體，這即商品氣相二氧化硅通常呈現的形貌。經剪切或剪切超聲結合只能得到一定大小的分散粒子，分散粒徑不同決定了粒子表面硅羥基種類和數量的不同，因此強烈影響了氣相二氧化硅的膠凝特性以及加入蓄電池后的電池性能，控制氣相二氧化硅分散粒徑成為制備性能優良膠體蓄電池的第一個關鍵步驟。
[0003]關于氣相二氧化娃粒徑的重要性早已被意識(Genpten, M.等，J Solid StateElectrochem.2014, 18, 2469 - 2479 ；Chen, Μ.等，Electrochimica Acta 2015, 164,243 - 251 ；Chen, M.等，J.Power Sources 2008, 181, 161-171 ；Kamiya, H.等，J.Am.Ceram.Soc.2000, 83，287-293)，但他們都是根據電鏡拍攝的原生粒子或初級粒子來考慮這些單元的尺寸(10_50nm) (Park, J.等，J.Non-Crystalline Solids 2005, 351,2352 - 2357 ；Sun, C.等，Applied Mechanics Materials 2Q\2, 110-116，514-518;Chen, M.等,J.Power Sources 2008, 181, 161-171 ；Kamiya, H.等,J.Am.Ceram.Soc.2000，83，287-293)。這與實際應用嚴重不相符，因為商品氣相二氧化硅經機械力只能破壞彼此結合的范德華力，即分散只能得到如上所述的聚集體，這時的粒徑在100-300nm之間。這種理論與實際的脫節導致對分散這一關鍵的前處理工藝迄今沒有明確的知識指導，嚴重影響甚至阻礙了氣相二氧化硅的實際應用。
[0004]本發明經過系統深入地研宄，在明確機械分散粒徑是決定商品氣相二氧化硅應用效果的重要因素基礎上，總結了綜合利用剪切力、超聲力、分散時間、氣相二氧化硅濃度等手段，可以實現對商品氣相二氧化硅的分散以及對粒徑的有效控制。
【發明內容】
[0005]本發明在于針對現有技術的不足，提供一種能有效控制氣相二氧化硅分散粒徑的方法。該方法在商品氣相二氧化硅配制成濃度為4Wt°/『25Wt%的水溶液時，綜合利用剪切力、超聲力、分散時間等，能有效控制氣相二氧化硅的分散粒徑在130nm~240nm。
[0006]為實現上述目的，本發明采用如下技術方案:
一種控制氣相二氧化硅分散粒徑的方法:將商品氣相二氧化硅配制成濃度為4wt%~25wt%的水溶液，在剪切線速度為9.64 m/s~27 m/s下，剪切I分鐘~15分鐘；或再在超聲功率為9.5ff -950W下，超聲分散I分鐘~15分鐘；制得分散粒徑控制在130nm~240nm(粒度分布儀測定并經濃度外推法處理)的氣相二氧化硅。
[0007]本申請采用由定子和轉子構成的高速剪切機或均質機進行剪切。
[0008]本申請采用由超聲發生器構成的超聲波粉碎機進行超聲分散。
[0009]本發明綜合利用剪切力、超聲力、分散時間、氣相二氧化硅濃度等手段，單獨使用剪切力或聯合使用剪切與超聲力，合理選擇氣相二氧化硅濃度，在所述分散時間內，可以良好地控制氣相二氧化娃的分散粒徑在130nm~240nm。
[0010]條件試驗:
I) 二氧化硅濃度變化對氣相二氧化硅分散粒徑的影響
分別稱量濃度為4wt%~25wt%的二氧化硅水溶液，固定剪切線速度為15.5 m/s下，剪切3分鐘。氣相二氧化硅的分散粒徑隨氣相二氧化硅濃度的變化如圖1所示。隨著氣相二氧化硅濃度增加，分散粒徑減小。
[0011]2)剪切線速度的變化對氣相二氧化硅的分散粒徑的影響
稱量濃度為15wt%的二氧化硅水溶液，分別固定剪切線速度為12~24 m/s下，剪切3分鐘。氣相二氧化硅的分散粒徑隨剪切線速度的變化如圖2所示。隨著剪切線速度增加，氣相二氧化硅分散粒徑減小。
[0012]3 )剪切時間的變化對氣相二氧化硅的分散粒徑的影響
稱量濃度為15wt%的二氧化硅水溶液，固定剪切線速度為15.5 m/s下，分別剪切3~15分鐘。氣相二氧化硅的分散粒徑隨剪切時間的變化如圖3所示。隨著剪切時間增加，氣相二氧化硅分散粒徑略減小。
[0013]4)超聲時間的變化對氣相二氧化硅的分散粒徑的影響
稱量濃度為15wt%的二氧化硅水溶液，在固定剪切線速度為15.5 m/s下，剪切3分鐘后，再聯合超聲分散，在665W功率下分別超聲1~9分鐘。氣相二氧化娃的分散粒徑隨超聲時間的變化如圖4所示。隨著超聲時間增加，氣相二氧化硅分散粒徑減小。超聲條件下能獲得比剪切更小的氣相二氧化硅分散粒徑。
[0014]5)超聲功率的變化對氣相二氧化硅的分散粒徑的影響
稱量濃度為15wt%的二氧化硅水溶液，在固定剪切線速度為15.5 m/s下，剪切3分鐘后，再聯合超聲分散，分別固定超聲功率為450W~900W下，超聲5分鐘。氣相二氧化娃的分散粒徑隨超聲功率的變化如圖5所示。隨著超聲功率增加，氣相二氧化硅分散粒徑略減小。
[0015]本發明的顯著優點在于:
(1)本發明有目的地改善了商品氣相二氧化硅的前處理工藝，綜合利用剪切力、超聲力、分散時間、氣相二氧化硅濃度等手段，實現了對二氧化硅的分散粒徑的有效控制，從而大大影響膠凝劑性質以及膠體電池性能；
(2)通過加大氣相二氧化硅的濃度來增加粒子間碰撞，從而獲得更小的粒徑，這個方法不增加生產成本，僅簡單地改變濃度條件，就可以獲得良好的額外分散效果，具備顯著地進步。
【附圖說明】
[0016]圖1為固定剪切線速度為15.5 m/s，剪切3分鐘條件下，氣相二氧化硅濃度對分散粒徑的影響； 圖2為固定氣相二氧化硅濃度為15.0wt%，剪切3分鐘條件下，剪切線速度對分散粒徑的影響；
圖3為固定氣相二氧化硅濃度為15.0wt%，剪切線速度為15.5 m/s條件下，剪切時間對分散粒徑的影響；
圖4為固定氣相二氧化硅濃度為15.0wt%，剪切線速度為15.5 m/s下剪切3分鐘后，再固定665W功率下超聲分散，超聲時間對分散粒徑的影響；
圖5為固定氣相二氧化硅濃度為15.0wt%，剪切線速度為15.5 m/s下剪切3分鐘后，再超聲分散5分鐘下，超聲功率對分散粒徑的影響。
【具體實施方式】
[0017]本發明用下列實施例來進一步說明本發明，但本發明的保護范圍并不限于下列實施例。
[0018]實施例1
將商品氣相二氧化硅配制成濃度為4wt%水溶液，在剪切線速度為9.64 m/s下，剪切I分鐘，處理后的氣相二氧化娃的分散粒徑為240±5 nm。
[0019]實施例2
將商品氣相二氧化硅配制成濃度為20wt%水溶液，在剪切線速度為27 m/s下，剪切10分鐘，處理后的氣相二氧化娃的分散粒徑為150±3 nm。
[0020]實施例3
將商品氣相二氧化硅配制成濃度為15.0wt%水溶液，在剪切線速度為15.5m/s下，剪切3分鐘后；再在超聲功率為855W下，超聲分散5分鐘，處理后的氣相二氧化娃的分散粒徑為130 ±2 nm。
[0021]以上所述僅為本發明的一部分實施例，凡依本發明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋范圍。
【主權項】
1.一種控制氣相二氧化硅分散粒徑的方法，其特征在于:將商品氣相二氧化硅配制成濃度為4wt%~25wt%的水溶液，在剪切線速度為9.64 m/s~27 m/s下，剪切I分鐘~15分鐘；或再在超聲功率為9.5W-950W下，超聲分散I分鐘~15分鐘；制得分散粒徑控制在130nm~240nm的氣相二氧化娃。
2.根據權利要求1所述的控制氣相二氧化硅分散粒徑的方法，其特征在于:采用由定子和轉子構成的高速剪切機或均質機進行剪切。
3.根據權利要求1所述的控制氣相二氧化硅分散粒徑的方法，其特征在于:采用由超聲發生器構成的超聲波粉碎機進行超聲分散。
【專利摘要】本發明公開了一種控制氣相二氧化硅分散粒徑的方法。將商品氣相二氧化硅配制成濃度為4wt%~25wt%的水溶液，在剪切線速度為9.64m/s~27m/s下，剪切1分鐘~15分鐘；或再在超聲功率為9.5W~950W下，超聲分散1分鐘~15分鐘。本發明在商品氣相二氧化硅濃度為4wt%~25wt%的前提下，綜合利用剪切力、超聲力、分散時間、氣相二氧化硅濃度等手段，實現了對商品氣相二氧化硅的分散以及對粒徑的有效控制，氣相二氧化硅的分散粒徑能控制在130nm~240nm。
【IPC分類】C01B33-18
【公開號】CN104860324
【申請號】CN201510241684
【發明人】趙劍曦, 孫小祥
【申請人】福州大學
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年5月13日