[发明专利]一种纳米结构硅酸盐及其功能化形式、制备和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型纳米结构硅酸盐的制备、功能化及应用，一般是可以水化的硅酸钙。本发明还涉及制备纳米结构硅酸盐的新方法。

背景技术

含有以不同微结构形式排列的亚微米颗粒的二氧化硅，主要是单独颗粒(烟尘二氧化硅)、网络(沉淀二氧化硅或硅酸盐)以及随机密堆结构(凝胶)，是公知的，并且广泛用于很多不同的工业和消费用途。这些材料得到了很好地表征，并且其各种制备方法、结构、性能和应用在标准课本，例如Iler(1973)(Ralph K.Iler-The Chemistry of Silica，Wiley-Interscience，NewYork，1979)，以及大量研究论文、专利和商家提供的信息及应用单中得到介绍。硅酸钠(水玻璃)一般作为在含水体系中制备沉淀二氧化硅(和硅酸盐)和二氧化硅凝胶的原料。很多这些制备方法的细节专属于商业制造商。

具有网络结构的沉淀二氧化硅还可以由地热水制得，所述地热水含有浓度非常低的溶解二氧化硅，通常达到1000mg·kg^-1SiO₂，其产品作为新闻纸中的填料成功地经过测试，可以减小透印(print-through)并提高印刷质量(Harper and Johnston，1997)(美国专利5595717)。

硅酸钠水溶液的碱性高，取决于溶解二氧化硅的浓度，其pH值通常大于12。其中主要的种类是H₃SiO₄^-离子以及H₂SiO₄^2-离子。加入酸减小pH值，引发这些离子的聚合，得到氧桥硅酸盐聚合体，可以简单地表示为：

(HO)₃SiO^-+^-OSi(OH)₃+H⁺→(HO)₃SiOSi(OH)₂O^-+H₂O(HO)₃SiOSi(OH)₂O^-+n[^-OSi(OH)₃]+nH⁺→[(HO)₃SiOSi(OH)₂O^-]_n+nH₂O

胶态二氧化硅颗粒

该聚合在三维方向上进行，形成纳米级球状二氧化硅颗粒，所述纳米级球状二氧化硅颗粒再形成所需的网络或凝胶结构。颗粒的表面通常具有高密度的硅烷醇基团。

如Harper和Johnston(1997)(美国专利5595717，1997)所述的由溶解二氧化硅过饱和的地热水沉淀二氧化硅的方法包括在pH＝7-9的条件下使该水陈化，由此根据上述机理形成纳米级胶态二氧化硅颗粒。由于表面的硅烷醇基团，这些颗粒具有表面负电荷并将形成胶体。加入金属阳离子(通常是Ca²⁺)，将该表面电荷中和到一定程度，使这些颗粒聚在一起，以形成网络结构的沉淀二氧化硅。通过将沉淀物暴露于含有未聚合的溶解二氧化硅(H₃SiO₄^-)的地热水中，并且在原始沉淀二氧化硅的网络结构上回收二氧化硅，可以增加颗粒尺寸以及由此提高网络结构的强度(Harper和Johnston，1997)(美国专利5595717，1997)。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的纳米结构硅酸盐和制备这些新型纳米结构硅酸盐的工艺，以及制备纳米结构硅酸盐的新方法及其应用。

根据本发明，提供了一种纳米结构硅酸钙材料，该材料含有厚度为约5-10nm、宽度为约50-500nm的纳米级小片(platelets)，所述纳米级小片按照有序性差的开放框架型结构堆积在一起，以形成可以进入的孔并由此提供高的孔体积。

说明书和权利要求中所使用的术语“含有(comprising)”是指“至少部分地由...组成”；也就是说，当在说明书和权利要求中的解释陈述包括“含有”时，则由该术语表明的特征在每个陈述中都必须存在，但其它特征也可以存在。相关的术语，例如“含有(comprise)”和“含有(comprised)”也按类似的方式解释。