[發明專利]以硅灰為硅質原料的納米水化硅酸鈣的制備方法

有效

• 申請號: 201210164211.X
• 申請日: 2012-05-25
• 公開（公告）號: CN102718228A
• 公開（公告）日: 2012-10-10
• 發明（設計）人: 韓濤;靳秀芝;曹紅紅;郭云霞;雷永勝
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: C01B33/24
• 分類號: C01B33/24;B82Y40/00
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源

技術領域

本發明涉及一種納米水化硅酸鈣的制備方法，具體為一種以硅灰為硅質原料通過水熱反應制備納米水化硅酸鈣的方法。

背景技術

水化硅酸鈣顆粒呈枝狀結構且多孔，并且以無定型態存在，其顆粒的枝狀結構能使顆粒填充到主體鏈中產生相互纏繞、包裹、密實的效應，因此其在水泥增強、橡膠增強等領域有著重要作用。從近年來看，增強添加劑的研究開始興起，水化硅酸鈣成為了納米材料科學的熱點之一。

水化硅酸鈣是一種重要的納米材料，由于它比表面積較大、顆粒多呈纖維枝狀，填充到其它物質中可以緩和主體受力不均引起的應力集中現象，因而可作為增強材料應用到水泥、橡膠等領域。目前，水熱法制備納米硅酸鈣的硅質原料通常有石英、硅藻土、膨潤土、高爐水淬渣等，采用以上原料作為硅質，或者反應物化學性質不穩定、反應慢、或者要求較高的反應條件（溫度和壓力較高）、SiO₂反應程度較低、產率低，或者作為硅質的原料組分不穩定，形成的水化硅酸鈣結構和性能差別較大。因此，尋找一種可以使制備過程操作容易、過程簡單、反應迅速和摻量、產率都提高的硅質原料就具有了重要意義。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有的硅質原料作為水化硅酸鈣的制備原料存在反應速率慢、反應條件苛刻（溫度和壓力較高）、SiO₂反應程度較低、產率低，以及原料組分不穩定，形成的水化硅酸鈣結構和性能差別較大等問題，而提供一種成本低廉、顆粒較細、活性較高、SiO₂含量較高、溶解快、反應容易的以硅灰為硅質原料的納米水化硅酸鈣的制備方法。此外，本發明方法還可以通過調節反應物的比例、反應溫度、反應時間等條件，來對微粒的比表面積、分散程度等進行調節，從而獲得性能優異的產物。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種以硅灰為硅質原料的納米水化硅酸鈣的制備方法，包括如下步驟：

（1）取氧化鈣、硅灰并將二者混合均勻，其中，硅灰中二氧化硅含量占99%，故氧化鈣與硅灰的混合比例按氧化鈣與二氧化硅的摩爾比為0.5～3:1的比例混合均勻，二氧化硅的物質的量即為硅灰實際質量的99%除以二氧化硅的摩爾質量（二氧化硅的物質的量：n_(SiO2)=[m（硅灰）×99%]/M_(SiO2)，氧化鈣的物質的量：n_(CaO)=m_(CaO)/M_(CaO)）；將混合好的原料轉入反應釜中并加入水，加水量按水固質量比為30:1的比例加入，加好水后充分攪拌至少5min，最后將反應釜中的混合反應物在120～200℃下水熱反應3～9h；

（2）將步驟（1）中水熱反應得到的沉淀產物先用水清洗，然后用超聲波處理至少5min，再轉入高速離心機中，并在轉速至少為8000r∕min的條件下分離至少5min，該過程重復操作三次；接下來再將上述過程中的水清洗換做酒精清洗，同樣過程再重復操作三次；之后將最終分離得到的產物置于80℃真空環境下干燥至恒重，最后即得到納米水化硅酸鈣。

本發明促進水熱反應的機理：選用廣泛易得的工業副產品硅灰作為硅質原料、氧化鈣為鈣質原料，采用水熱合成工藝制取水化硅酸鈣。硅灰主要成分是SiO₂，SiO₂占硅灰總量的99%，此外，還含有少量Na、K、Ca、Mg等的氧化物，硅灰主要粒度小于1μm，這種極細顆粒是機械加工難以達到的。硅灰為中空球狀非晶質物，具有很高的活性，在同樣的條件下，由于少量堿金屬、堿土金屬氧化物的存在，提高了SiO₂溶解于堿性溶液的速率。具體過程為：硅灰粒度小于1μm，比表面積較大，吸附性很強，和氧化鈣、水混合后對氫氧根離子的吸附能力強，并且硅灰活性較高，結構中Si-O鍵聚集程度較弱，很容易斷裂，可溶硅含量較多，較多的Si-O鍵斷裂后吸附溶液中的OH^-,最終成為H₃SiO₄^-進入溶液，反應比較劇烈，然后與氧化鈣溶于水形成的Ca⁺、OH^-反應形成C-S-H凝膠，最后形成硬硅鈣石。

本發明與現有方法相比，具有如下有益效果：

（1）原料來源廣泛，價格低廉，反應條件溫和，反應過程中無污染，操作簡便，安全系數高；

（2）硅灰比表面積較大，吸附性較強，反應速度極快，所需反應條件溫和，在較低溫度下即能快速生成水化硅酸鈣；