專利名稱：一種低成本批量制備硅酸鈣納米線的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種低成本批量制備硅酸鈣納米線 的方法。
背景技術(shù)：
硅酸鈣是一種白色粉末，熔點(diǎn)1540°C，難溶于水和堿性溶液，在酸中分解。硅酸鈣 的結(jié)構(gòu)單元是硅氧四面體，呈鏈狀結(jié)構(gòu)，具有低的導(dǎo)熱系數(shù)，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)窯爐、高溫 裝置的保溫、絕熱技術(shù)中。一維納米材料由于尺寸小、表面積大等特點(diǎn)，在絕熱領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。將 硅酸鈣制備成一維硅酸鈣納米線結(jié)構(gòu)，制成絕熱制品可產(chǎn)生“零對流”、“無窮長路徑”等納 米效應(yīng)，使材料的熱傳遞能力下降或接近最低極限，可作為一種超級絕熱材料，具有密度 小、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)低、化學(xué)穩(wěn)定性好等特性，在太陽能熱水器、工業(yè)及建筑保溫領(lǐng)域、軍 事航天領(lǐng)域等方面有著很好的應(yīng)用前景。超級絕熱材料是指在預(yù)定的使用條件下，其導(dǎo)熱 系數(shù)低于“無對流空氣”導(dǎo)熱系數(shù)的絕熱材料。由硅酸鈣納米線構(gòu)成的絕熱材料內(nèi)的孔隙 小于lOOnm，材料內(nèi)大部分氣孔的尺寸小于50nm，由于硅酸鈣納米線宏觀為絮狀物質(zhì)，所以 具有很低的體積密度，以上硅酸鈣納米線的特點(diǎn)均符合作為超級絕熱材料的要求。微孔硅酸鈣是目前一種較常用的隔熱材料，但是具有韌性差的缺點(diǎn)，需要添加纖 維等材料進(jìn)行增韌處理，但同時(shí)會(huì)在一定程度上降低其隔熱性，限制了應(yīng)用范圍。硅酸鈣 納米線作為一種一維納米線狀材料，在作為絕熱制品應(yīng)用時(shí)，不僅可以降低制品的導(dǎo)熱系 數(shù)，還可起到增韌作用，可以很好的提高絕熱制品的韌性。硅酸鈣納米線作為可以大量使用 的保溫隔熱材料，控制其成本極為重要。中國發(fā)明專利“一種偏硅酸鈣納米材料的制備方 法”(專利號200310123479. χ)涉及到了偏硅酸鈣納米材料的制備方法，所述方法制備出 的是硅酸鈣納米粉末，而硅酸鈣納米線是一種一維納米線狀材料，所以目前尚未有關(guān)于低 成本批量制備硅酸鈣納米線的專利。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種低成本批量制備硅酸鈣納米線的制備方法。本發(fā)明低成本批量制備的硅酸鈣納米線，由直徑10-150nm，平均直徑低于lOOnm， 長達(dá)50微米的納米線組成。所制備得硅酸鈣為硅灰石單斜結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所提供的方法采用氧化鈣、納米二氧化硅為原料，通過礦化過程批量制備 出硅酸鈣納米線，是一種工藝過程簡單、易于操作控制、成本低、無污染及可批量制備的方 法。本發(fā)明所提供得制備方法具體步驟如下(1)以氧化鈣和納米二氧化硅為原料，水為溶劑，將摩爾比為1 1的氧化鈣與 二氧化硅的混合物與水混合后置于密閉容器內(nèi)并密封，采用磁力攪拌器均勻攪拌，于溫度 150-300°C、壓力I-IOMPa下，保溫0_48小時(shí)，所述氧化鈣、二氧化硅混合物的量不大于水溶劑重量的30%，氧化鈣、二氧化硅混合物及溶劑總量占容器的填充度不大于60% ；
(2)保溫結(jié)束自然冷卻后，得到含有白色松散物質(zhì)的水溶液，將所述含有白色松散 物質(zhì)的水溶液在烘箱內(nèi)于100°c干燥后得到絮狀松散的白色粉末，將所述白色粉末在馬弗 爐內(nèi)于800°C鍛燒1小時(shí)，自然冷卻后得到絮狀松散的白色粉末，即為硅酸鈣納米線，所制 得得硅酸鈣納米線由直徑10-150nm，平均直徑低于lOOnm，長達(dá)50微米的納米線組成，所制 得得硅酸鈣納米線為硅灰石單斜結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所述氧化鈣、二氧化硅混合物及溶劑總量占容器的填充度20%。本發(fā)明所述氧化鈣、二氧化硅混合物及溶劑總量占容器的填充度10%。本發(fā)明可在150_250°C溫度、l_7MPa壓力下保溫1_24小時(shí)并均勻攪拌。本發(fā)明較佳的制備條件為150-220°C溫度、l_5MPa壓力下保溫1-18小時(shí)并均勻攪 拌。本發(fā)明另一較佳的制備條件為180-200°C、2-5MPa壓力下保溫1_12小時(shí)并均勻攪 拌。本發(fā)明采用制備方法，利用氧化鈣與水形成氫氧化鈣，并與二氧化硅反應(yīng)生成含 羥基的鈣硅化合物納米線，并經(jīng)高溫鍛燒制備出大量高純的硅酸鈣納米線。該方法制備過 程簡單、所用原料都是常用、已批量生產(chǎn)的氧化鈣及二氧化硅，原料來源豐富，產(chǎn)物不需要 后續(xù)加工處理，因此所得硅酸鈣納米線的成本低，可大批量制備，為硅酸鈣納米線的實(shí)際應(yīng) 用提供了條件。本發(fā)明采用的是無毒的氧化鈣和二氧化硅及水，原料及制備過程均對環(huán)境 無污染，符合環(huán)保要求的現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展方向，可實(shí)現(xiàn)硅酸鈣納米線的低成本批量化制備。
圖1為本發(fā)明制備的含羥基鈣硅化合物納米線的低倍SEM圖像。從圖1右上角所得產(chǎn)物的數(shù)碼圖片可以看出100°C干燥后產(chǎn)物為絮狀松散的白色 粉末，SEM顯示所得產(chǎn)物為高純納米線，長度可達(dá)50微米。圖2為本發(fā)明制備的含羥基鈣硅化合物納米線的高倍SEM圖像。從圖中可看出所得產(chǎn)物由高純納米線構(gòu)成，直徑約10-130nm。圖3為本發(fā)明制備的含羥基鈣硅化合物納米線的XRD衍射圖。根據(jù)XRD 衍射圖及 JCPDS PDF 卡片(JCPDS PDF No. 23-0125)，可以檢索出 100°C 干燥后所得產(chǎn)物為Ca6Si6O17(OH)2單斜結(jié)構(gòu)。圖4為本發(fā)明制備的硅酸鈣納米線的低倍SEM圖像。從圖4右上角所得產(chǎn)物的數(shù)碼圖片可以看出所得硅酸鈣納米線為絮狀松散的白 色粉末，SEM顯示高溫鍛燒后所得產(chǎn)物仍為高純納米線，長度可達(dá)50微米。圖5為本發(fā)明制備的硅酸鈣納米線的高倍SEM圖像。從圖可看出所得硅酸鈣納米線的直徑約10-150nm，高溫鍛燒導(dǎo)致了納米線直徑的 少量增加。圖6為本發(fā)明制備的硅酸鈣納米線的XRD衍射圖。根據(jù)XRD衍射圖及JCPDS PDF卡片(JCPDS PDF No. 27-0088)，可以檢索出所得硅 酸鈣納米線為硅灰石單斜結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 將占水溶劑質(zhì)量20 %的氧化鈣與二氧化硅的混合物與水混合后置于密閉容器內(nèi)并密封，其中氧化鈣、二氧化硅混合物及溶劑總量占容器的填充度為50%，均勻攪 拌，于溫度150°C、壓力IMPa下保溫24小時(shí)，采用磁力攪拌器攪拌。保溫結(jié)束自然冷卻后 收集到含有白色松散物質(zhì)的水溶液，在烘箱內(nèi)于100°C干燥后收集到絮狀松散的白色粉末。 在馬弗爐內(nèi)800°C鍛燒1小時(shí)，自然冷卻后收集到絮狀松散的硅酸鈣納米線。實(shí)施例2 將占水溶劑質(zhì)量20 %的氧化鈣與二氧化硅的混合物與水混合后置于密閉容器內(nèi)并密封，其中氧化鈣、二氧化硅混合物及溶劑總量占容器的填充度為30%，均勻攪 拌，于溫度200°C、壓力2MPa下保溫36小時(shí)，采用磁力攪拌器攪拌。保溫結(jié)束自然冷卻后 收集到含有白色松散物質(zhì)的水溶液，在烘箱內(nèi)于100°C干燥后收集到絮狀松散的白色粉末。 在馬弗爐內(nèi)800°C鍛燒1小時(shí)，自然冷卻后收集到絮狀松散的硅酸鈣納米線。實(shí)施例3 將占水溶劑質(zhì)量10%的氧化鈣與二氧化硅的混合物與水混合后置于密閉容器內(nèi)并密封，其中氧化鈣、二氧化硅混合物及溶劑總量占容器的填充度為30%，均勻攪 拌，于溫度250°C、壓力4MPa下保溫12小時(shí)，采用磁力攪拌器攪拌。保溫結(jié)束自然冷卻后 收集到含有白色松散物質(zhì)的水溶液，在烘箱內(nèi)于100°C干燥后收集到絮狀松散的白色粉末。 在馬弗爐內(nèi)800°C鍛燒1小時(shí)，自然冷卻后收集到絮狀松散的硅酸鈣納米線。實(shí)施例4 將占水溶劑質(zhì)量20 %的氧化鈣與二氧化硅的混合物與水混合后置于密閉容器內(nèi)并密封，其中氧化鈣、二氧化硅混合物及溶劑總量占容器的填充度為10%，均勻攪 拌，于溫度300°c、壓力7MPa下保溫12小時(shí)，采用磁力攪拌器攪拌。保溫結(jié)束自然冷卻后 收集到含有白色松散物質(zhì)的水溶液，在烘箱內(nèi)于100°C干燥后收集到絮狀松散的白色粉末。 在馬弗爐內(nèi)800°C鍛燒1小時(shí)，自然冷卻后收集到絮狀松散的硅酸鈣納米線。實(shí)施例5 將占水溶劑質(zhì)量5%的氧化鈣與二氧化硅的混合物與水混合后置于密閉容器內(nèi)并密封，其中氧化鈣、二氧化硅混合物及溶劑總量占容器的填充度為40%，均勻攪 拌，于溫度220°C、壓力4MPa下保溫12小時(shí)，采用磁力攪拌器攪拌。保溫結(jié)束自然冷卻后 收集到含有白色松散物質(zhì)的水溶液，在烘箱內(nèi)于100°C干燥后收集到絮狀松散的白色粉末。 在馬弗爐內(nèi)800°C鍛燒1小時(shí)，自然冷卻后收集到絮狀松散的硅酸鈣納米線。實(shí)施例6 將占水溶劑質(zhì)量5%的氧化鈣與二氧化硅的混合物與水混合后置于密 閉容器內(nèi)并密封，其中氧化鈣、二氧化硅混合物及溶劑總量占容器的填充度為30%，均勻攪 拌，于溫度180°C、壓力1.5MPa下保溫48小時(shí)，采用磁力攪拌器攪拌。保溫結(jié)束自然冷卻后 收集到含有白色松散物質(zhì)的水溶液，在烘箱內(nèi)于100°C干燥后收集到絮狀松散的白色粉末。 在馬弗爐內(nèi)800°C鍛燒1小時(shí)，自然冷卻后收集到絮狀松散的硅酸鈣納米線。實(shí)施例7 將占水溶劑質(zhì)量15%的氧化鈣與二氧化硅的混合物與水混合后置于密 閉容器內(nèi)并密封，其中氧化鈣、二氧化硅混合物及溶劑總量占容器的填充度為10%，均勻攪 拌，于溫度250°c、壓力4. 5MPa下保溫24小時(shí)，采用磁力攪拌器攪拌。保溫結(jié)束自然冷卻后 收集到含有白色松散物質(zhì)的水溶液，在烘箱內(nèi)于100°C干燥后收集到絮狀松散的白色粉末。 在馬弗爐內(nèi)800°C鍛燒1小時(shí)，自然冷卻后收集到絮狀松散的硅酸鈣納米線。實(shí)施例8 將占水溶劑質(zhì)量15%的氧化鈣與二氧化硅的混合物與水混合后置于密 閉容器內(nèi)并密封，其中氧化鈣、二氧化硅混合物及溶劑總量占容器的填充度為50%，均勻攪 拌，于溫度200°C、壓力2. 5MPa下保溫24小時(shí)，采用磁力攪拌器攪拌。保溫結(jié)束自然冷卻后收集到含有白色松散物質(zhì)的水溶液，在烘箱內(nèi)于100°c干燥后收集到絮狀松散的白色粉末。在馬弗爐內(nèi)800°c鍛燒1小時(shí)，自然冷卻后收集到絮狀松散的硅酸鈣納米線。
權(quán)利要求
一種低成本批量制備硅酸鈣納米線的方法，其特征在于該制備方法具體步驟如下(1)以氧化鈣和納米二氧化硅為原料，水為溶劑，將摩爾比為1∶1的氧化鈣與二氧化硅的混合物與水混合后置于密閉容器內(nèi)并密封，采用磁力攪拌器均勻攪拌，于溫度150-300℃、壓力1-10MPa下，保溫0-48小時(shí)，所述氧化鈣、二氧化硅混合物的量不大于水溶劑重量的30％，氧化鈣、二氧化硅混合物及溶劑總量占容器的填充度不大于60％；(2)保溫結(jié)束自然冷卻后，得到含有白色松散物質(zhì)的水溶液，將所述含有白色松散物質(zhì)的水溶液在烘箱內(nèi)于100℃干燥后得到絮狀松散的白色粉末，將所述白色粉末在馬弗爐內(nèi)于800℃鍛燒1小時(shí)，自然冷卻后得到絮狀松散的白色粉末，即為硅酸鈣納米線，所制得得硅酸鈣納米線由直徑10-150nm，平均直徑低于100nm，長達(dá)50微米的納米線組成，所制得得硅酸鈣納米線為硅灰石單斜結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述制備方法，其特征在于所述氧化鈣、二氧化硅混合物及溶劑總 量占容器的填充度為20%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述制備方法，其特征在于所述二氧化鈣、二氧化硅混合物及溶劑 總量占容器的填充度為10%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述制備方法，其特征在于步驟(1)中溫度為150-250°C，壓力 l-7MPa，保溫1-24小時(shí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述制備方法，其特征在于步驟(1)中溫度為150-220°C，壓力1-5MPa，保溫1-18小時(shí)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述制備方法，其特征在于步驟⑴中溫度為180-20(TC，壓力2-5MPa，保溫1-12小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種低成本批量制備硅酸鈣納米線的制備方法，屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域。該納米線由直徑10-150nm，平均直徑低于100nm，長達(dá)50微米的納米線組成。其制備方法是將氧化鈣與二氧化硅的混合物與水混合后置于密閉容器內(nèi)均勻攪拌，于溫度150-300℃、壓力1-10MPa下保溫0-48小時(shí)，保溫結(jié)束自然冷卻后收集到含有白色松散物質(zhì)的水溶液，在烘箱內(nèi)于100℃干燥后收集到絮狀松散的白色粉末，在馬弗爐內(nèi)800℃鍛燒1小時(shí)，自然冷卻后收集到絮狀松散的白色粉末，即為硅酸鈣納米線。本發(fā)明方法中，原料來源豐富，產(chǎn)物不需要后續(xù)加工處理，因此所得硅酸鈣納米線的成本低，可大批量制備。
文檔編號C01B33/24GK101798093SQ201010137868
公開日2010年8月11日 申請日期2010年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月26日
發(fā)明者楊永, 楊連金, 樊傳剛, 裴立宅 申請人:安徽工業(yè)大學(xué)