一種在固體顆粒表面包覆非晶態二氧化硅膜的方法技術

本發明專利技術屬于無機膜制備領域，具體涉及一種在固體顆粒表面包覆非晶態二氧化硅膜的方法。本發明專利技術是首先制備固體顆粒懸濁液，然后于20~90℃配制硅酸鈉濃度為0.0001～0.5g/mL的硅酸鈉水溶液，將硅酸鈉水溶液與固體顆粒懸濁液混合，得到包覆溶液，向包覆溶液中通入二氧化碳氣體，結束后采用過濾或者離心分離出包覆了二氧化硅膜的顆粒，用去離子水反復清洗兩次，用無水乙醇清洗兩次，用氮氣將顆粒吹干。本發明專利技術反應步驟少，反應條件溫和，條件易于控制，能夠通過反應條件變化調節制備的二氧化硅層的疏密度，易于推廣。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于無機膜制備領域，具體涉及一種在固體顆粒表面包覆非晶態二氧化硅膜的方法。
技術介紹
在固體顆粒表面鍍膜能夠改善顆粒的抗氧化能力、耐腐蝕能力，以及顆粒原有的電、光、化學等方面的性能。按照膜的組成可以分為金屬膜和氧化物膜。按照膜致密程度可以分為致密膜和多孔膜。二氧化硅(SiO2)具有硬度高、耐磨性好、絕熱性好、光透過率高、抗侵蝕能力強的優點，還是良好的介電性質。二氧化硅薄膜包覆復合材料在電子器件和集成器件、光學薄膜器件、傳感器等相關器件中應用越來越廣泛；納米二氧化硅的多孔性質可應用于過濾薄膜、薄膜反應和相關的吸收劑以及分離技術、分子工程和生物工程等，從而在光催化、微電子、抗腐蝕和高阻隔包裝和透明絕熱等領域具有很好的發展前景。SiO2薄膜的制備方法主要有物理氣相沉積、化學氣相沉積、氧化法、溶膠凝膠法和液相沉積法等。其中，物理氣相沉積主要分為蒸發鍍膜、磁控濺射和激光沉積法等。所述的蒸發鍍膜技術出現較早，但此法沉積的膜與基體的結合力不強；磁控濺射法在低溫下制備的SiO2薄膜，具有多孔結構，致密度低，因而抗侵蝕能力差，而在較高溫度下制備的薄膜，具有較高的致密度和較好的性能；激光沉積法是20世紀80年代后期發展起來的新型的薄膜制備技術，該方法對設備要求高，故產品的成本較高。化學氣相沉積法又分為常壓化學氣相沉積(APCVD)、低壓化學氣相沉積(LPCVD)、等離子增強化學氣相沉積(PECVD)和光化學氣相沉積等。目前最常用的是等離子體增強化學氣相沉積法。等離子體增強化學氣相沉積法是利用輝光放電，在高頻電場下使稀薄氣體電離產生等離子體，這些離子在電場中被加速而獲得能量，可在較低溫度下實現SiO2薄膜的沉積。這種方法的特點是沉積溫度可以降低至200℃，且生長速率快，可準確控制沉積速率，生成的薄膜結構致密。缺點是真空度低，從而使薄膜中的雜質含量(Cl、O)較高，薄膜硬度低，沉積速率過快而導致薄膜內柱狀晶嚴重，并存在空洞等。光化學氣相沉積法是使用紫外汞燈作為輻射源，利用Hg敏化原理，在SiH4+N2O混合氣體中進行光化學反應。SiH4和O2分兩路進入反應室，在紫外光垂直照射下進行反應。這種方法的主要特點是形成薄膜的溫度低(50～200℃)。熱氧化工藝是在高溫下(900～1200℃)使硅片表面氧化形成SiO2膜的方法，包括干氧氧化、濕氧氧化以及水汽氧化。采用干氧氣氛下的高溫氧化，生長厚度為10nm左右的SiO2所需的氧化時間很短，常規電阻絲加熱氧化爐無法控制如此短的氧化時間。而采用高溫下的低壓氧化方法，氧化時間將增加，常規氧化爐可以控制較長的氧化時間，但是較長時間的高溫工藝過程會引起摻入雜質的再分布，這是超大規模集成電路制作工藝中所不希望的。快速熱工藝氧化法是采用快速熱工藝系統，精確地控制高溫短時間的氧化過程以獲得性能優良的超薄SiO2薄膜。其優點是具有較高的絕緣強度和相當快的生長速度。同時，這種方法的特點是設備簡單，溫度低，不生成氣態有機原子團，生長速率快，膜厚容易控制。缺點是大面積均勻性差，結構較疏松,腐蝕速度較快，且氣體管道中易出現硅烷氧化，形成白粉,因而沉積SiO2粉塵的污染在所難免。溶膠凝膠法是一種低溫合成材料的方法，這種方法的制作費用低、鍍膜簡單、便于大面積采用、且光學性能好，適用于立體器件。但是SiO2減反射膜(即增透膜)往往不具有疏水的性能，受空氣中潮氣的影響，使用壽命較短。SiO2薄膜是用液相沉積法法最早制備成功的氧化物薄膜。通常使用H2SiF6的水溶液為反應液，在溶液中溶入過飽和的SiO2(以SiO2、硅膠或硅酸的形式)。目前可在相當低的溫度(～40℃)成功地在GaAs基底上生長SiO2薄膜。該成膜過程不需熱處理，不需昂貴的設備，操作簡單，可以在形狀復雜的基片上制膜，但反應物和產物中因為含有氟化物因而具有一定污染性。在基體材料上包覆二氧化硅膜，可以使材料表現出新的特性，將在更多的領域中得到應用。但現有的各種方法均對于設備、反應條件有較高的要求，進而造成二氧化硅膜成本高和難以大規模工業化。一種條件溫和、易于調控和設備簡單的在顆粒表面包覆二氧化硅膜的方法有利于二氧化硅包覆材料的應用。
技術實現思路
針對現有技術存在的問題，本專利技術提供一種在固體顆粒表面包覆非晶態二氧化硅膜的方法，目的是通過硅酸鈉碳酸化分解實現顆粒表面包覆二氧化硅膜。實現本專利技術目的的技術方案按照以下步驟進行：（1）顆粒分散：于20~90℃，將固體顆粒加入到含有質量濃度為0～3%表面活性劑的水溶液中，固體顆粒與水溶液的比例為1：（1~100）g/ml，采用攪拌或者超聲方式使固體顆粒懸浮在水溶液中，得到懸濁液；（2）準備包覆溶液：于20~90℃配制硅酸鈉濃度為0.0001～0.5g/mL的硅酸鈉水溶液，將硅酸鈉水溶液與步驟（1）中的懸濁液按照體積比1：（0.1~10）混合，得到包覆溶液；（3）制備顆粒表面二氧化硅膜：向步驟（2）中的包覆溶液中通入二氧化碳氣體，氣體流量為0.01～500ml/min，直至溶液的pH為7～9，通氣過程中持續攪拌；（4）分離包覆后的顆粒：通入二氧化碳氣體結束后，采用過濾或者離心分離出包覆了二氧化硅膜的顆粒，用去離子水反復清洗兩次，用無水乙醇清洗兩次，用氮氣將顆粒吹干。其中，所述的固體顆粒包括納米級或微米級金屬及合金顆粒，具體是：鎳顆粒、鐵顆粒、、銅顆粒、鋅顆粒、錫顆粒、鎂合金顆粒、鎳鐵合金顆粒、銅合金顆粒；包括納米或微米級的無機化合物顆粒，具體是：二氧化鈦顆粒、二氧化硅顆粒、氧化鐵顆粒、氫氧化鎳顆粒、氫氧化鈷顆粒、氧化鈷顆粒、玻璃微珠；還包括微米級高分子顆粒，具體是塑料顆粒或聚乙烯顆粒，顆粒粒度≤0.5cm。所述的表面活性劑包括陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑、兩性離子表面活性劑和非離子表面活性劑；其中所述的陰離子表面活性劑是硬脂酸或十二烷基苯磺酸鈉；所述的陽離子表面活性劑是季銨化物；所述的兩性離子表面活性劑是卵磷脂、氨基酸型表面活性劑或甜菜堿型表面活性劑；所述的非離子表面活性劑是乙二醇、脂肪酸甘油酯、脂肪酸山梨坦（司盤）或聚山梨酯（吐溫）。與現有技術相比，本專利技術的特點和有益效果是：本專利技術的技術方案設備簡單，反應過程中涉及到的化學反應是：Na2SiO3+CO2=Na2CO3+SiO2，反應得到的二氧化硅粉體粒度很細，很難應用于工業中，但是本專利技術的技術方案是直接將細粒度二氧化硅粉體形成的二氧化硅膜包覆在顆粒表面，所述的顆粒范圍很廣，包覆后的復合材料的性能也能滿足多種需求。本專利技術反應步驟少，反應條件溫和，條件易于控制，能夠通過反應條件變化調節制備的二氧化硅層的疏密度，易于推廣。附圖說明圖1是本專利技術實施例1中二氧化硅膜包覆過程示意圖；其中：（1）：包覆初期顆粒表面二氧化硅形貌；（2）：包覆中期顆粒表面二氧化硅膜形貌；（3）：包覆結束后被二氧化硅膜包覆的顆粒形貌。具體實施方式實施例1本實施例的在固體顆粒表面包覆非晶態二氧化硅膜的方法按照以下步驟進行：（1）顆粒分本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種在固體顆粒表面包覆非晶態二氧化硅膜的方法，其特征在于按照以下步驟進行：（1）顆粒分散：于20~90℃，將固體顆粒加入到含有質量濃度為0～3%表面活性劑的水溶液中，固體顆粒與水溶液的比例為1：（1~100）g/ml，采用攪拌或者超聲方式使固體顆粒懸浮在水溶液中，得到懸濁液；（2）準備包覆溶液：于20~90℃配制硅酸鈉濃度為0.0001?～?0.5?g/mL的硅酸鈉水溶液，將硅酸鈉水溶液與步驟（1）中的懸濁液按照體積比1：（0.1~10）混合，得到包覆溶液；（3）制備顆粒表面二氧化硅膜：向步驟（2）中的包覆溶液中通入二氧化碳氣體，氣體流量為0.01?～?500?ml/min，直至溶液的pH為7?～?9，通氣過程中持續攪拌；（4）分離包覆后的顆粒：通入二氧化碳氣體結束后，采用過濾或者離心分離出包覆了二氧化硅膜的顆粒，用去離子水反復清洗兩次，用無水乙醇清洗兩次，用氮氣將顆粒吹干。

【技術特征摘要】
1.一種在固體顆粒表面包覆非晶態二氧化硅膜的方法，其特征在于按照以下步驟進行：
（1）顆粒分散：于20~90℃，將固體顆粒加入到含有質量濃度為0～3%表面活性劑的水溶液中，固體顆粒與水溶液的比例為1：（1~100）g/ml，采用攪拌或者超聲方式使固體顆粒懸浮在水溶液中，得到懸濁液；
（2）準備包覆溶液：于20~90℃配制硅酸鈉濃度為0.0001～0.5g/mL的硅酸鈉水溶液，將硅酸鈉水溶液與步驟（1）中的懸濁液按照體積比1：（0.1~10）混合，得到包覆溶液；
（3）制備顆粒表面二氧化硅膜：向步驟（2）中的包覆溶液中通入二氧化碳氣體，氣體流量為0.01～500ml/min，直至溶液的pH為7～9，通氣過程中持續攪拌；
（4）分離包覆后的顆粒：通入二氧化碳氣體結束后，采用過濾或者離心分離出包覆了二氧化硅膜的顆粒，用去離子水反復清洗兩次，用無水乙醇清洗兩次，用氮氣將顆粒吹干。
2.根據權利要求1所述...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉巖，代鵬飛，李夏雯，祝煜，
申請(專利權)人：東北大學，
類型：發明
國別省市：遼寧;21