一种废塑料制备小尺寸碳化硅或氮化硅纳米颗粒的方法

摘要

一种废塑料制备小尺寸碳化硅或氮化硅纳米颗粒的方法是把洗净后的废弃塑料在氩气气氛下进行碳化，得到碳化产物；将二氧化硅浸泡在硝酸铁溶液中，加热到50～80℃，直到溶剂蒸干，然后与碳化产物研磨混合，得到混合物，将混合物在氩气或氮气气氛下进行碳热还原反应，反应后自然冷却至室温，得到初级反应产物；在空气中600～800℃焙烧，除去未反应的碳；将反应产物浸泡在盐酸和氢氟酸的混酸中除去硝酸铁和二氧化硅，再经水洗、过滤、干燥，最终得到碳化硅或氮化硅纳米材料。本发明具有所需设备简单、操作安全、工艺流程简单、生产成本低、生产周期短、产品纯度高的优点。

权利要求

1.一种废塑料制备小尺寸碳化硅或氮化硅纳米颗粒的方法，其特征在于包括如下步骤：(1)、预处理：把洗净后的废弃塑料在600～1000℃氩气气氛下进行碳化，碳化时间在

0.5～5小时，得到碳化产物；

(2)、将二氧化硅浸泡在硝酸铁溶液中，在搅拌条件下加热到50～80℃，直到溶剂蒸干硝酸铁均匀分散在二氧化硅表面上，然后与碳化产物研磨混合，得到混合物，混合后碳、二氧化硅和硝酸铁的质量比1∶0.1～5∶0.005～0.3；

(3)、碳热还原：将混合物在氩气气氛下1100～1400℃进行碳热还原反应3～20小时，反应后自然冷却至室温，得到碳化硅初级反应产物；

将混合物在氮气气氛下1100～1400℃进行碳热还原反应3～20小时，反应后自然冷却至室温，得到氮化硅初级反应产物；

(4)、热处理：将初级反应产物在空气中600～800℃焙烧1～5小时，除去未反应的碳；

(5)、酸洗：将反应产物浸泡在体积比1∶1-5的盐酸和氢氟酸的混酸中12-48h除去硝酸铁和二氧化硅，再经水洗、过滤、干燥，最终得到碳化硅或氮化硅纳米材料；

得到的碳化硅或氮化硅均为纳米颗粒，其尺寸在10～70纳米之间。

说明书

一种废塑料制备小尺寸碳化硅或氮化硅纳米颗粒的方法

技术领域

[0001] 本发明属一种非氧化物纳米材料及其制备方法，具体地说涉及一种利用废弃塑料为原料合成小尺寸碳化硅或氮化硅纳米颗粒的制备方法。

背景技术

[0002] 废弃塑料，即聚苯乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等高分子聚合物制品如塑料袋、塑料瓶等使用后被弃置的固体废物。由于这些塑料废弃物难以降解，不仅污染土壤和水源，给人类健康以及动物生存带来威胁，而且还会造成视觉污染，影响城市和自然环境的风貌。如何利用这些废弃物，变废为宝，是一项非常有意义的研究课题。

[0003] 碳化硅(SiC)以其禁带宽、饱和电子漂移速度大、临界雪崩击穿电场高和热导高的特点，在大功率、耐高温和抗辐射器件方面具有重要的应用价值。与常规SiC材料相比，纳米SiC具有较强的量子尺寸效应，其光学及场发射性能更为优越。氮化硅(Si3N4)是一种先进的工程陶瓷和半导体材料，具有优良的性能，如宽的能带隙、高强度、高硬度和良好的机械性能。碳化硅、氮化硅由于它们优良的性能被广泛应用于冶金、机械制造、航空航天等各个领域。

[0004] 目前已经有很多制备SiC、Si3N4纳米颗粒的方法，中国专利(申请号：CN10121857)报道了燃烧合成纳米碳化硅粉体的方法。该方法中，硅粉、碳粉、氮化硅或碳化硅添加剂和聚四氟乙烯按照一定比例配制成反应物料后装入石墨坩埚，装有物料的坩埚放入密闭高压反应合成装置中；反应装置抽真空后充入氮气至适当压力，通过采用局部电热点火或者局部高频感应加热方式引发燃烧合成反应；待反应完毕，将产物收集处理，可得到均质纳米碳化硅粉体。中国专利(申请号：CN 10020098)报道了一种用废塑料低温制备立方碳化硅超细粉的方法，以废塑料作为碳源与硅粉来合成碳化硅，金属钠、金属镁粉为还原剂，硫粉为辅助剂，在高压釜中于300-500℃、0.5-10MPa条件下反应10-30小时；经过洗涤、提纯后得到产品。中国专利(申请号：CN 10015133)报道了一种利用碘辅助制备氮化硅纳米材料的方法。硅粉、碘和叠氮化钠按一定摩尔比混合后，置于高压釜中190-300℃温度条件下反应5-20小时；反应产物经酸浸洗、水洗至PH中性后，离心分离和干燥产物，然后再用氢氟酸与硝酸混和液洗涤除去未反应的单质硅，真空干燥即获得α和β两相混合的氮化硅纳米材料。中国专利(申请号：CN 10045575)报道了一种β-氮化硅粉体材料的一步反应低温制备方法。该方法是以四氯化硅作硅源，以叠氮钠作氮源，添加少量的四氯化碳为溶剂，混合物装入反应釜后，将反应釜在加热炉中加热到150-200℃，达到设定温度后停止加热，使反应釜在加热炉中自然冷却至室温。反应产物经无水酒精清洗、抽滤，除去残余反应物，再用去离子水清洗除去反应副产物氯化钠，将最后所得产物在60℃温度下烘干3小时，得到灰白色氮化硅粉末。

[0005] 目前现有的碳化硅和氮化硅专利制备技术一般对反应设备要求严格，如中国专利(申请号：CN 10121857)等要求真空高压反应釜，而且使用原料价格高、不易得到(如申请号：CN 10045575中以叠氮钠为氮源)。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提供一种设备简单、易于大规模生产纳米碳化硅或氮化硅颗粒的制备方法。

[0007] 本发明是利用废弃塑料为碳源前驱体，二氧化硅为硅源，硝酸铁为催化剂前驱体，常压氩气气氛下反应制得尺寸在10～70nm之间的碳化硅纳米颗粒；在氮气气氛下反应则得到氮化硅纳米颗粒。该技术利用废弃塑料为原料生产出高附加值的纳米碳化硅和氮化硅材料，不仅具有显著的经济效益，而且具有明显的社会效益。

[0008] 本发明按以下步骤完成：

[0009] (1)、预处理：把洗净后的废弃塑料在600～1000℃氩气气氛下进行碳化，碳化时间在0.5～5小时，得到碳化产物；

[0010] (2)、将二氧化硅浸泡在硝酸铁溶液中，在搅拌条件下加热到50～80℃，直到溶剂蒸干硝酸铁均匀分散在二氧化硅表面上，然后与碳化产物研磨混合，得到混合物，混合后碳、二氧化硅和硝酸铁的质量比1∶0.1～5∶0.005～0.3；

[0011] (3)、碳热还原：将混合物在氩气或氮气气氛下1100～1400℃进行碳热还原反应3～20小时，反应后自然冷却至室温，得到初级反应产物；

[0012] (4)、热处理：将初级反应产物在空气中600～800℃焙烧1～5小时，除去未反应的碳；

[0013] (5)、酸洗：将反应产物浸泡在体积比1∶1-5的盐酸和氢氟酸的混酸中12-48h除去硝酸铁和二氧化硅，再经水洗、过滤、干燥，最终得到碳化硅或氮化硅纳米材料。

[0014] 本发明得到的碳化硅或氮化硅均为纳米颗粒，其尺寸在10～70纳米之间。

[0015] 与现有专利方法相比，本发明的特点是采用一种简单易行的碳热还原技术制备出小尺寸碳化硅、氮化硅纳米颗粒。在该技术中，废弃塑料作为碳源，二氧化硅为为硅源，实现了废弃塑料再利用。生产所需设备简单、操作安全、工艺流程简单、生产成本低、生产周期短、产品纯度高。

具体实施方式

[0016] 实施例1

[0017] 1、将一定量洗净的矿泉水瓶在氩气气氛下600℃碳化5小时，得到一定量的碳化产物。

[0018] 2、将0.1克硝酸铁溶解于20毫升蒸馏水中，同时加入2克二氧化硅，50℃下浸渍。将8克上步所得碳化产物与此二氧化硅均匀混合。

[0019] 3、将混合物在氩气气氛下1100℃恒温反应20小时后，自然冷却至室温。

[0020] 4、所得反应产物在600℃空气中焙烧5小时，再用体积比为1∶1的HCl和HF混酸酸洗48h，最后经水洗、过滤、干燥制得尺寸介于10-30nm的碳化硅颗粒。

[0021] 实施例2

[0022] 1、将一定量洗净的餐盒在氩气气氛下700℃下碳化4小时，得到一定量的碳化产物。

[0023] 2、将0.2克硝酸铁溶解于30毫升蒸馏水中，同时加入3克二氧化硅，60℃下浸渍。