СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОПОРОШКА АМОРФНОГО ДИОКСИДА КРЕМНИЯ
METHOD OF MAKING AMORPHOUS SILICON DIOXIDE NANOPOWDER

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.
2
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:О 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:
<mrow><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>O</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>г</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>С</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>т</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><msub><mi>H</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>г</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msub><mo>+</mo><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>г</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msub><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Продукты реакции (1) восстанавливают диоксид кремния при температуре выше 1150°С до газообразного монооксида кремния:
<mrow><mn>2</mn><mi>S</mi><mi>i</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mi>C</mi><mi>O</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>S</mi><mi>i</mi><msub><mi>O</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>г</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi><mo>+</mo><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
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:
<mrow><mi>S</mi><mi>i</mi><msub><mi>O</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>г</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi><mo>=</mo><mi>S</mi><mi>i</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Однако, повышая температуру, практически одновременно, протекающих реакций 2 и 3 свыше 1250°С увеличивается вероятность появления в продуктах реакции SiO.
2
2
(г)
2(T)
Полученный диоксид кремния образуется при температурах (не более 1250°С) значительно ниже температуры плавления SiO, что предотвращает коагуляцию получаемых частиц SiO и способствует получению мелкодисперсных частиц, а практически полное отсутствие интервала перехода SiO→SiO 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.
2
2
2
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 H, паров HO, CO и отсутствие как SiO, так и SiO.
2
2
2
2
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 SiO шла интенсивно. Кроме того в продуктах реакции обнаружены Н, пары HO, СО, СО. SiO в продуктах реакции практически отсутствовало.
2
2
2
2
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 HO, СО, СО, SiO, SiO. Реакция образования порошка SiO шла с пониженным выходом в связи с не полным окислением SiO.
2(т)
(г)
2(т)
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→SiO→SiOочищает полученный порошок диоксида кремния от не возгоняемых примесей (в указанном диапазоне температур) содержащихся в исходном диоксиде кремния.