本發明屬于無機非金屬功能材料技術領域，更具體地，涉及一種使用火焰法制備納米球形硅微粉的方法。

背景技術：

納米技術被公認為是21世紀最有發展前途、最具影響力的高技術。納米級球形硅微粉是納米材料的重要成員之一，由于其粒徑小、比表面積大、表面能大、化學純度高、分散性好，具有高熔點、低膨脹系數、低吸水性、高介電常數及低摩擦系數等許多特異的熱學、光學、電學及磁學性能，是一種理想的電子電器、化工產品的優質填充料及特種噴涂材料，而被用來制造納米陶瓷、超大規模集成電路封裝材料、超薄薄膜、復合光學玻璃、高強高韌、導電、耐光、屏蔽、阻燃等聚合物復合功能纖維等許多先進新材料，對電子、醫藥、生物工程、國防軍工、航空航天等高技術領域的發展具有舉足輕重的作用。

以天然石英石為原料制備球形硅微粉是近幾年發展起來的一種物理方法，但目前這種物理法球形化技術還很不成熟，與國外相比差距很大，小于3μm高端優質球形硅微粉幾乎都來自于進口，1μm以下亞微米級球形硅微粉球化技術基本處于空白，納米級球形硅微粉技術在國內完全處于技術空白。而在國外，亞微米級石英粉的球化技術已達較高水平，尤其是日本，其球形化技術居于世界前茅。

目前，也可以通過化學合成方法制備球形硅微粉，其首先是將硅石溶解制成可溶性硅酸鹽或可水解的有機硅化合物，再經過溶膠-凝膠制備、沉淀、水熱合成等液相法或氣相沉積法等化學過程。然而，這些過程要使用大量的化學試劑，工藝流程長，投資大，環境污染嚴重，工業化難度大；此外，這些化學方法制備的粉體粒子具有堆積密度小、表面活性高、極易團聚結塊等缺點，給實際應用帶來困擾。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種使用火焰法制備納米球形硅微粉的方法，其目的在于，解決目前國內物理方法制備納米球形硅微粉存在的技術空白、以及現有采用化學方法制備納米球形硅微粉存在的使用大量的化學試劑導致工藝流程長、投資大、環境污染嚴重、以及工業化難度大的技術問題，以及化學方法制備的粉體粒子堆積密度小、表面活性高、極易團聚結塊等缺點。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種使用火焰法制備納米球形硅微粉的方法，包括如下步驟：

(1)將天然脈石英礦破碎并分級制成50目～325目石英砂，對該石英砂進行提純精制，對提純精制后得到的石英砂進行粉碎，并采用氣流分級機對粉碎后的石英砂進行分級，以得到粒徑d90＜5μm的超細石英粉。

(2)采用氣流輸送方式將分級后的超細石英粉送往倒焰燃燒器中進行富氧燃燒，富氧空氣中氧氣體積濃度為40％～80％，火焰溫度為1650℃～2200℃；

(3)使用旋風收集器和布袋除塵器對富氧燃燒后得到的石英粉進行處理，以得到球形硅微粉粉末。將粉末加去離子水或純凈水按固液重量比為(1：10)～(3：2)調漿，加入占漿料重量比為0.01％～5％的助劑，將混合溶液轉移到研磨機中進行研磨；

(4)用200目以上細篩網把研磨后的混合溶液中的漿料與研磨介質分離；將漿料盛裝入干凈容器中，加入水溶性有機溶液進行稀釋，使固相含量為5％～20％，對稀釋后的水溶性有機溶液進行高速攪拌和分散，并靜置陳化24小時以上。

(5)把陳化后的漿料進行分離，將下層沉淀返回研磨機進行重新研磨，將上層懸浮漿料轉移入到高速離心機中進行離心沉降，將低轉速下的上層溶液分離，提取下層沉淀，得到粗粒級球形硅微粉粒子，再將低轉速下分離出來的上層溶液放入超重力分離機中繼續進行高轉速分離，提取下層沉淀，得到細粒級球形硅微粉粒子，重復上述步驟，從而得到30～1200nm不同粒級范圍的納米級球形硅微粉粒子。

按照本發明的另一方面，提供了一種使用火焰法制備納米球形硅微粉的方法，包括如下步驟：

(1)將天然脈石英礦破碎并分級制成50目～325目石英砂，對該石英砂進行提純精制，對提純精制后得到的石英砂進行粉碎，并采用氣流分級機對粉碎后的石英砂進行分級，以得到粒徑d90＜5μm的超細石英粉。

(2)采用氣流輸送方式將分級后的超細石英粉送往倒焰燃燒器中進行富氧燃燒，富氧空氣中氧氣體積濃度為40％～80％，火焰溫度為1650℃～2200℃；

(3)使用旋風收集器和布袋除塵器對富氧燃燒后得到的石英粉進行處理，以得到球形硅微粉粉末。將粉末加去離子水或純凈水按固液重量比為(1：10)～(3：2)調漿，加入占漿料重量比為0.01％～5％的助劑，將混合溶液轉移到研磨機中進行研磨；

(4)用200目以上細篩網把研磨后的混合溶液中的漿料與研磨介質分離；將漿料盛裝入干凈容器中，加入水溶性有機溶液進行稀釋，使固相含量為5％～20％，對稀釋后的水溶性有機溶液進行高速攪拌和分散，并靜置陳化24小時以上。

(5)把陳化后的漿料進行分離，對下層沉淀進行直接收集并干燥，將上層懸浮漿料轉移入到高速離心機中進行離心沉降，將低轉速下的上層溶液分離，提取下層沉淀，得到粗粒級球形硅微粉粒子，再將低轉速下分離出來的上層溶液放入超重力分離機中繼續進行高轉速分離，提取下層沉淀，得到細粒級球形硅微粉粒子，重復上述步驟，從而得到30～1200nm不同粒級范圍的納米級球形硅微粉粒子。

優選地，步驟(1)中提純精制的過程采用的是通常的磁選、浮選、重選及酸洗方法，對精制的石英砂進行粉碎采用的是氣流粉碎機、球磨機、振動球磨機、攪拌磨、或行星磨。

優選地，富氧空氣中氧氣體積濃度為45％～65％，火焰溫度為1700℃～1900℃；

優選地，富氧燃燒使用的燃料氣為天然氣、石油液化氣、乙炔、氫氣中的一種或幾種，助燃氣體為氧氣、空氣或富氧空氣中的一種或幾種。

優選地，步驟(3)中使用的助劑為有機硅烷偶聯劑、硅油、甘油、羊毛脂、三乙醇胺、六偏磷酸鈉、聚乙二醇、水玻璃中的一種或者幾種；使用的研磨機是攪拌磨、行星磨、或砂磨機中的一種或者幾種；研磨介質選用非金屬材質。

優選地，步驟(3)中研磨介質與漿料的體積比為(3：1)～(1：3)，研磨機轉速為300r/分鐘～1200r/分鐘；研磨時間20分鐘～180分鐘。

優選地，水溶性有機溶液為乙醇、甲醇、甲醛或甲醚，水溶性有機溶液中有機溶劑占溶液的比例為30％～50％。

優選地，高速離心機的轉子轉速為3000r/分鐘～13000r/分鐘，定時時間為3分鐘～60分鐘。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：

1、本發明填補了目前國內使用物理方法制備納米球形硅微粉這一領域的技術空白；

2、本發明采用物理方法制備納米球形硅微粉，在制備過程中無需使用化學試劑，從而能夠克服現有采用化學方法制備納米球形硅微粉需使用大量的化學試劑而導致的工藝流程長、投資大、環境污染嚴重、以及工業化難度大的技術問題。

3、本發明制備得到的粉體粒子堆積密度大，表面活性低，從而不容易團聚結塊。

4、本發明可獲得粒徑分布范圍在30nm～1200nm不同粒級范圍、表面光滑的亞微米及納米級球形硅微粉粒子，其球形度99％以上，球化率達100％。

附圖說明

圖1是本發明使用火焰法制備納米球形硅微粉的方法的流程示意圖；

圖2(a)和(b)示出使用本發明方法制備提取的納米球形硅微粉粒子的形貌特征。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

如圖1所示，本發明使用火焰法制備納米球形硅微粉的方法包括如下步驟：

(1)將天然脈石英礦破碎并分級制成50目～325目(相當于45μm～270μm)石英砂，對該石英砂進行提純精制，對提純精制后得到的石英砂進行粉碎，并采用氣流分級機對粉碎后的石英砂進行分級，以得到粒徑d90＜5μm(優選為粒徑d90＜3μm)的超細石英粉。

具體而言，本步驟中提純精制的過程采用的是通常的磁選、浮選、重選及酸洗等方法。

本步驟中對精制的石英砂進行粉碎采用的是氣流粉碎機、球磨機、振動球磨機、攪拌磨、或行星磨等機械，優選使用氣流粉碎機或振動球磨機。

(2)采用氣流輸送方式將分級后的超細石英粉送往倒焰燃燒器中進行富氧燃燒，富氧空氣中氧氣體積濃度為40％～80％(優選為45％～65％)，火焰溫度為1650℃～2200℃(優選為1700℃～1900℃)；

具體而言，本發明富氧燃燒使用的燃料氣為天然氣、石油液化氣、乙炔、氫氣中的一種或幾種，優選為天然氣或者氫氣；助燃氣體為氧氣、空氣或富氧空氣中的一種或幾種，優選為空氣；

(3)使用旋風收集器和布袋除塵器對富氧燃燒后得到的石英粉進行處理，以得到球形硅微粉粉末。將粉末加去離子水或純凈水按固液重量比為(1：10)～(3：2)調漿，加入占漿料重量比為0.01％～5％的助劑，將混合溶液轉移到研磨機中進行間歇或者連續研磨；

具體而言，本步驟中使用的助劑為有機硅烷偶聯劑、硅油、甘油、羊毛脂、三乙醇胺、六偏磷酸鈉、聚乙二醇、水玻璃中的一種或者幾種。

本步驟中使用的研磨機是攪拌磨、行星磨、或砂磨機中的一種或者幾種，研磨介質(即研磨球)選用非金屬材質，優選為氧化鋁或氧化鋯無機非金屬氧化物陶瓷；研磨介質(研磨球)與漿料的體積比為(3：1)～(1：3)；研磨機轉速控制在300r/分鐘～1200r/分鐘，優選400r/分鐘～600r/分鐘；研磨時間20分鐘～180分鐘，優選30分鐘～120分鐘。

(4)用200目以上細篩網把研磨后的混合溶液中的漿料與研磨介質分離；將漿料盛裝入干凈容器中，加入水溶性有機溶液進行稀釋，使固相含量為5％～20％，對稀釋后的水溶性有機溶液進行高速攪拌和分散，并靜置陳化24小時以上。

具體而言，本步驟中的水溶性有機溶液為乙醇、甲醇、甲醛或甲醚，水溶性有機溶液中有機溶劑占溶液的比例為0％～100％，優選為30％～50％。

(5)把陳化后的漿料進行分離，將下層沉淀返回研磨機進行重新研磨，將上層懸浮漿料轉移入到高速離心機中進行離心沉降，將低轉速下的上層溶液分離，提取下層沉淀，得到粗粒級球形硅微粉粒子，再將低轉速下分離出來的上層溶液放入超重力分離機中繼續進行高轉速分離，提取下層沉淀，得到細粒級球形硅微粉粒子，重復上述步驟，從而得到30～1200nm不同粒級范圍的納米級球形硅微粉粒子(如圖2(a)和(b)所示)。

作為本步驟的替換性步驟，在將陳化后的漿料分離后，對下層沉淀進行直接收集并干燥。

具體而言，高速離心機的轉子轉速為3000r/分鐘～13000r/分鐘，定時時間為3分鐘～60分鐘。

實施例1：

以脈石英為原料，經精制提純、粉碎分級得到d90＝4.33μm；以乙炔為燃料氣體、富氧空氣為助燃氣體，控制燃燒器溫度為1900℃，進行球形化；將收集的粉末用純凈水按固液重量比按1：5調漿，加入0.05％硅油，攪拌均勻后轉移到全方位行星磨中，再按2：1介質與漿料體積比加入氧化鋯研磨介質，設定轉速400r/分鐘，運行60分鐘；分離出介質球，將漿料以無水乙醇按漿料與乙醇體積比為1：1混合，高速攪拌分散均勻，陳化48小時。將懸浮漿料全部吸出，高速分散后，轉移到超重力分離機中，設定轉速為3500r/分鐘，時間20分鐘。將沉淀提取出來，經掃描電子顯微鏡(scanningelectronmicroscope，簡稱sem)分析，得到球形硅微粉粒子粒徑范圍260～1160nm，球化率99.7％，球形度98.6％。

實施例2：

以脈石英為原料，經精制提純、粉碎分級得到d90＝2.84μm；以氫氣為燃料氣體、富氧空氣為助燃氣體，控制燃燒器溫度為1850℃，進行球形化；將收集的粉末用純凈水按固液重量比按1.5：10調漿，加入0.2％分散劑lt560，攪拌均勻后轉移到攪拌磨中，再按3：2介質與漿料體積比加入氧化鋯研磨介質，設定轉速380r/分鐘，運行45分鐘；分離出介質球，將漿料以甲醇按漿料與甲醇體積比為1：1混合，高速攪拌分散均勻，陳化一周。將懸浮漿料全部吸出，高速分散后，轉移到超重力分離機中，設定轉速為8500r/分鐘，時間15分鐘。將沉淀提取出來，經sem分析，得到球形硅微粉粒子粒徑范圍130～1020nm，球化率99.9％，球形度98.2％。

實施例3：

以脈石英為原料，經精制提純、粉碎分級得到d90＝2.51μm；以石油液化氣為燃料氣體、氧氣為助燃氣體，控制燃燒器溫度為1800℃，進行球形化；將收集的粉末用純凈水按固液重量比按1：4調漿，加入1.2％水玻璃，攪拌均勻后轉移到全方位行星磨中，再按2：1介質與漿料體積比加入氧化鋯研磨介質，設定轉速400r/分鐘，運行60分鐘；分離出介質球，將漿料以乙醇+甲醇(1+1)混合溶劑按漿料與混合溶劑體積比為1：2混合，高速攪拌分散均勻，陳化100h。將懸浮漿料全部吸出，高速分散后，轉移到超重力分離機中，設定轉速為10000r/分鐘，時間5分鐘。將沉淀提取出來，經sem分析，得到球形硅微粉粒子粒徑范圍30～960nm，球化率100％，球形度99％。

實施例4：

以脈石英為原料，經精制提純、粉碎分級得到d90＝3.02μm；以乙炔為燃料氣體、富氧空氣為助燃氣體，控制燃燒器溫度為1750℃，進行球形化；將收集的粉末用純凈水按固液重量比按1：5調漿，加入2％羊毛脂，攪拌均勻后轉移到砂磨機中，再按3：1介質與漿料體積比加入氧化鋯研磨介質，設定轉速850r/分鐘，運行120分鐘；分離出介質球，將漿料以乙醇按漿料與乙醇體積比為1：1混合，高速攪拌分散均勻，陳化72h。

將懸浮漿料全部吸出，高速分散后，轉移到超重力分離機中，首先設定轉速為3000r/分鐘，定時10分鐘，停止運行后，將上層溶液吸出用于下步繼續分離。將沉淀提取出來，首先得到球形粒子粒徑范圍為250～980nm，球化率99％，球形度97.6％。

將上述分離沉淀的上層溶液移入超重力分離機中，設定轉速為5000r/分鐘，定時15分鐘，停止運行后，將上層溶液吸出用于下步繼續分離。將沉淀提取出來，又得到球形粒子粒徑范圍為80～260nm，球化率100％，球形度99％。

再將上述分離沉淀的上層溶液移入超重力分離機中，設定轉速為8000r/分鐘，定時20分鐘，停止運行后，將上層溶液吸出用于下步繼續分離。將沉淀提取出來，再次得到球形粒子粒徑范圍為50～180nm，球化率100％，球形度100％。

繼續將上述分離沉淀的上層溶液移入超重力分離機中，設定轉速為10000r/分鐘，定時20分鐘，停止運行后，上層為清澈透明溶液，全部吸出棄去。將沉淀提取出來，最后得到球形粒子粒徑范圍為25～130nm，球化率100％，球形度100％。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。