一種球形納米混合氧化物（SiO2-Fe2O3）粉體的合成方法技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種納米混合氧化物的合成方法，特別是涉及一種球形納米混合氧化物（SiO2-Fe2O3）粉體的合成方法。

背景技術(shù)：
作為一種理想的無機(jī)納米磁性材料和光學(xué)材料，納米氧化鐵不僅具有納米材料的共性（尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)），同時(shí)具有磁性氧化物所表現(xiàn)的超順磁性，已被廣泛運(yùn)用于催化、防腐、顏料、紫外線吸收、磁性記錄、磁探針以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。納米氧化鐵具有誘人的磁性和光學(xué)特性，但其納米顆粒分散性差，晶粒表面分子的活性較高，極易發(fā)生凝聚而生長(zhǎng)，從而失去良好的磁性效應(yīng)。納米SiO2所具有多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且化學(xué)性質(zhì)和熱穩(wěn)定性好，常用作納米顆粒的分散基質(zhì)。如果將磁性納米顆粒（Fe2O3）分散到非磁性的絕緣氧化物基質(zhì)（SiO2）中組成的混合納米材料（Fe2O3-SiO2），能夠有效阻止納米Fe2O3的團(tuán)聚效應(yīng)，提高其相變溫度，并且在保存了原有納米磁性材料的特性的同時(shí)還改善其單分散介質(zhì)的分散性和復(fù)合納米材料的組裝特性，使其運(yùn)用更加廣泛。目前，F(xiàn)e2O3/SiO2納米混合氧化物粉體的制備已有報(bào)道。納米α-Fe2O3/SiO2具有突出的熱穩(wěn)定性和氣敏性，對(duì)常見的可燃?xì)怏w及有毒氣體具有高度的敏感性。在光學(xué)上，利用其對(duì)紫外線光譜的吸收性質(zhì)制成紫外線吸收薄膜。作為良好的納米磁性顆粒，γ-Fe2O3/SiO2表現(xiàn)出良好的生物相容性，在磁場(chǎng)的作用下可進(jìn)行定向操作，常用作磁場(chǎng)控制材料和生物靶向藥劑的載體。在納米Fe2O3-SiO2混合氧化物粉體的制備工藝中，通常采用無機(jī)鐵鹽溶液(Fe(NO3)3·9H2O、FeCl3·6H2O、Fe(ClO3)3)、尿素鐵（[Fe(CON2H4)6](NO3)3）和氧化鐵紅(Fe2O3)作為鐵源與正硅酸乙酯（TEOS）通過溶膠-凝膠、強(qiáng)迫水解、共沉積、微乳液、水熱合成等物理化學(xué)方法進(jìn)行合成。由于制備工藝復(fù)雜、反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)和反應(yīng)條件難以控制等缺點(diǎn)，使得所制備的納米復(fù)合氧化物粉體的分散性差、易團(tuán)聚、晶型畸變和晶相難控，混合比例難控等缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種球形納米混合氧化物（SiO2-Fe2O3）粉體的合成方法，該方法通過氣相爆炸的方法合成球形SiO2-Fe2O3納米混合氧化物粉體，實(shí)現(xiàn)最佳工況下持續(xù)生產(chǎn)球形納米混合氧化物（SiO2-Fe2O3）粉體，能在相同工況下進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)，是一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、穩(wěn)定、比例可調(diào)的球形納米混合氧化物粉體的制備方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種球形納米混合氧化物（SiO2-Fe2O3）粉體的合成方法，所述方法包括以下過程：利用真空泵將密閉爆炸反應(yīng)管抽成真空，從導(dǎo)氣口通入混合氣體作為爆炸源，并向進(jìn)料口注入SiCl4溶液，然后利用爆炸反應(yīng)管外壁的電加熱裝置進(jìn)行加熱，待溫度達(dá)到確保SiCl4溶液完全氣化時(shí)關(guān)閉，利用電火花點(diǎn)燃管內(nèi)氣體，借助氣相爆轟產(chǎn)生高溫、高壓、高速環(huán)境，促使前驅(qū)溶液和鐵板與混合氣體快速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)直接生成納米球形混合氧化物（SiO2-Fe2O3）粉體。所述的一種球形納米混合氧化物（SiO2-Fe2O3）粉體的合成方法，所述混合氣體為氫-氧混合氣體，控制氫氣與氧氣的質(zhì)量比0.094~0.167。所述的一種球形納米混合氧化物（SiO2-Fe2O3）粉體的合成方法，所述前驅(qū)體溶液為SiCl4溶液，其質(zhì)量百分濃度為90%~99.5%。所述的一種球形納米混合氧化物（SiO2-Fe2O3）粉體的合成方法，所述在爆炸反應(yīng)管內(nèi)壁貼附一層除去氧化層的薄鐵片提供鐵源。所述的一種球形納米混合氧化物（SiO2-Fe2O3）粉體的合成方法，所述點(diǎn)火方式為電點(diǎn)火起爆，起爆的峰值電壓2200~5000V，起爆能控制在50~200J。所述的一種球形納米混合氧化物（SiO2-Fe2O3）粉體的合成方法，所述密閉爆炸反應(yīng)管外壁緊密包覆一層加熱帶進(jìn)行加熱，并配有數(shù)顯溫控設(shè)備來控制爆轟反應(yīng)的初始溫度，控制初始溫度為25~300℃。所述的一種球形納米混合氧化物（SiO2-Fe2O3）粉體的合成方法，所述管道上部對(duì)稱設(shè)置三個(gè)壓力傳感器，并連接壓力檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)爆轟反應(yīng)過程中的爆炸反應(yīng)管內(nèi)峰值壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)；控制爆轟反應(yīng)管內(nèi)的峰值壓力為1.0~2.0MPa。所述的一種球形納米混合氧化物（SiO2-Fe2O3）粉體的合成方法，所述利用XRD、XRF、TEM等表征手段對(duì)權(quán)利要求1所合成產(chǎn)物的晶粒尺寸、晶相成分、晶粒的形貌特征等進(jìn)行表征，所得混合氧化物（SiO2-Fe2O3）粉體的粒徑在50~120nm。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與效果是：1.本發(fā)明在利用SiCl4溶液作為前驅(qū)體溶液氣相爆轟制備納米SiO2的原理上，在爆炸反應(yīng)管內(nèi)設(shè)置除去氧化膜的薄鐵片來提供納米Fe2O3的鐵源，通過氣相爆炸的方法合成球形SiO2-Fe2O3納米混合氧化物粉體。設(shè)計(jì)了一套氣相爆炸反應(yīng)裝置（圖1）來進(jìn)行試驗(yàn)和控制爆轟參數(shù)。2.依據(jù)氣相爆轟產(chǎn)生的爆轟波與爆炸反應(yīng)管內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)烈的動(dòng)態(tài)耦合機(jī)制，持續(xù)穩(wěn)定的維持爆轟反應(yīng)的高溫、高壓及高速傳播過程。利用釋放的強(qiáng)大爆炸能促使反應(yīng)物快速生成納米顆粒，爆生氣體膨脹效應(yīng)使納米顆粒充分混合，形成穩(wěn)定、混合均勻的納米混合氧化物粉體。通過改變爆轟反應(yīng)參數(shù)（初始溫度、壓強(qiáng)和點(diǎn)火能等）和初始反應(yīng)物濃度及爆炸氣體配比來控制納米顆粒的晶粒尺寸、晶相組成和混合比例。實(shí)現(xiàn)最佳工況下持續(xù)生產(chǎn)球形納米混合氧化物（SiO2-Fe2O3）粉體。3.本發(fā)明依據(jù)氣體燃燒爆炸原理，氣相爆炸釋放的爆炸能會(huì)激活化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)化學(xué)反應(yīng)所釋放能量反過來維持爆炸沖擊波的傳播，使其穩(wěn)定傳播。生成的納米混合氧化物來不及團(tuán)聚，易得分散性好的球形納米粉體。4.本發(fā)明能夠通過改變氫-氧混合氣體的不同比例來控制爆炸所釋放的能量，從而影響納米混合氧化物的晶體結(jié)構(gòu)和晶型組成，也可通過改變前驅(qū)溶液的濃度以及爆轟反應(yīng)的初始環(huán)境(初始溫度和壓強(qiáng))來實(shí)現(xiàn)對(duì)納米混合氧化物的控制。以期達(dá)到最佳的工況下進(jìn)行納米混合氧化物的合成，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制產(chǎn)物中各成分的比例。5.本發(fā)明制備的產(chǎn)物純度高，能避免利用傳統(tǒng)炸藥爆炸法合成納米粉體時(shí)雜質(zhì)的引入（主要是碳）。具有操作簡(jiǎn)單、反應(yīng)過程迅速、試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、所需原料廉價(jià)且能在相同工況下進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，是一種適合經(jīng)濟(jì)環(huán)保的納米混合物（SiO2-Fe2O3）粉體的方法。附圖說明圖1是本發(fā)明的爆炸反應(yīng)管示意圖；圖2是本發(fā)明合成納米混合氧化物（SiO2-Fe2O3）粉體XRF分析結(jié)果圖；圖3是本發(fā)明兩種尺寸的納米混合氧化物（SiO2-Fe2O3）粉體TEM圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明提出了一種利用氣相爆炸來制備球形納米混合氧化物（Fe2O3-SiO2）粉體的合成方法，并自行設(shè)計(jì)的爆炸反應(yīng)管（如圖1）對(duì)氣相爆炸反應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)，控制爆炸反應(yīng)參數(shù)。氣相爆炸制備納米SiO2粉體的特性是利用SiCl4溶液作為前驅(qū)體，以氫-氧混合氣體作為爆炸源，在保溫及溫控系統(tǒng)和壓力傳感系統(tǒng)對(duì)初始溫度和壓力環(huán)境進(jìn)行設(shè)置和監(jiān)控下，利用電火花點(diǎn)火起爆，使密閉爆炸反應(yīng)管內(nèi)爆源氣體瞬時(shí)起爆，釋放大量的爆炸能量激活未反應(yīng)區(qū)的爆源氣體，促使前驅(qū)體溶液快速反應(yīng)生成納米SiO2粉體，并逐漸長(zhǎng)大形成顆粒，沉積在內(nèi)測(cè)管壁上。本發(fā)明是在此試驗(yàn)基礎(chǔ)上在爆炸反應(yīng)管內(nèi)壁添置一層去除氧化膜的薄鐵皮來提供納米Fe2O3的鐵源，通過管內(nèi)氣相爆轟反應(yīng)產(chǎn)生的高溫、高壓和高密度的環(huán)境下使薄鐵片表面鐵分子與爆炸源氣體快速氧化反應(yīng)，并與納米SiO2顆粒在爆生氣體的膨脹過程充分混合，最終形成穩(wěn)定、混合均勻的球形納米混合氧化物（Fe2O3-SiO2）粉體。為了解決該納米混合氧化物氣相爆炸合成方法的技術(shù)問題，使其得以實(shí)現(xiàn)，因此設(shè)計(jì)了如圖1所示的氣相爆炸反應(yīng)管。該裝置具體包括11個(gè)部分，其中：1爆源H2氣體鋼瓶，2爆源O2氣體鋼瓶，3真空泵，4氣門，5點(diǎn)火孔，6進(jìn)料口，7壓力傳感器，8反應(yīng)器，9電纜，10真空表，11氯吸收器；反應(yīng)器8內(nèi)壁套有一層薄鐵片，來提供鐵源；分別通過減壓閥進(jìn)行控制，用燃?xì)廛浌芙尤雽?dǎo)氣管上的充氣嘴；真空泵3、真空表10和氣門4用來抽取真空和控制壓力設(shè)備，分別用橡膠軟管和螺口單頭與反應(yīng)裝置連接；考慮到清潔環(huán)保，用橡膠軟管將氯吸收器11接上導(dǎo)氣管端部，對(duì)反應(yīng)后產(chǎn)生的少量的氯氣進(jìn)行收集。為了考慮氣相爆轟反應(yīng)裝置的安全性、精確性和可操作性，在所有外接設(shè)備接口處均設(shè)置精密球閥，控制開關(guān)。本發(fā)明主要的實(shí)驗(yàn)流程如下：通過真空泵3將反應(yīng)器8內(nèi)抽成真空，從爆源H2氣體鋼瓶1和爆源O2氣體鋼瓶2通入氫氣和氧氣，同時(shí)從進(jìn)料口6向容器中注入SiCl4溶液，通過電纜9對(duì)爆炸反應(yīng)管內(nèi)混合物進(jìn)行加熱處理，并用溫控設(shè)備控制爆炸初始溫度，確保SiCl4溶液能夠完全氣化，使其能夠與爆炸氣體均勻混合。待達(dá)到控溫系統(tǒng)設(shè)定溫度值時(shí)，在點(diǎn)火孔5處通過電火花點(diǎn)火方式進(jìn)行點(diǎn)火起爆，激活管內(nèi)燃?xì)獗ù偈筍iCl4蒸汽和鐵板與爆炸氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成球形納米混合氧化物（SiO2-Fe2O3）粉體。爆轟完成后靜置沉積10~20分鐘后，待溫度降到常溫時(shí)，打開法蘭板進(jìn)行粉體收集。實(shí)施例選用0.7mm厚的均質(zhì)薄鐵片，將其裁剪成長(zhǎng)為1300mm，寬為480mm的矩形鐵片，利用市售濃度為30%的酸洗鈍化液（主要成分為HF）清洗來除去鐵片表面的氧化膜和雜質(zhì)。以長(zhǎng)邊為軸卷起矩形鐵片形成圓筒形，套入自制爆轟反應(yīng)管內(nèi)并使其完全緊貼爆轟反應(yīng)管內(nèi)壁。按圖1所示連接好實(shí)驗(yàn)裝置，關(guān)閉爆轟反應(yīng)管兩側(cè)的所有閥門，讓爆轟反應(yīng)管形成密閉環(huán)境，在真空泵3處連接型號(hào)為V-i120SV，抽氣速率為3.6m3/h的真空泵，并打開真空表（-0.1~0.5MPa）處閥門，接通電源開始對(duì)爆轟管抽真空。大約抽取4min后，觀察真空表指針示數(shù)為-80KPa，且繼續(xù)抽真空，指針示數(shù)基本不變，則認(rèn)為爆轟反應(yīng)管內(nèi)已為真空環(huán)境，關(guān)閉真空表閥門。先后分別打開爆源H2氣體鋼瓶1和爆源O2氣體鋼瓶2處所接的氫氣和氧氣鋼瓶閥門，按H2:O2=2:1向爆轟反應(yīng)管內(nèi)通入0.04MPa的H2和0.02MPa的O2，通氣時(shí)利用鋼瓶閥門上所接的減壓閥進(jìn)行壓力控制。通完氣體后，利用注射器抽取2ml純度為99.5%(AR)的SiCl4溶液，從進(jìn)料口6處的進(jìn)料口注入爆轟反應(yīng)管內(nèi)，再關(guān)閉進(jìn)料口處的精密球閥。在爆轟反應(yīng)管外壁纏上220V，功率為1000W的玻璃纖維加熱帶，并接上市售姚儀牌的數(shù)顯溫控設(shè)備。先設(shè)置爆轟的初始溫度為150℃，接通電源進(jìn)行加熱。待溫度達(dá)到150℃后，停止加熱并斷開電源。檢查實(shí)驗(yàn)裝置確保安全后，利用點(diǎn)火孔5處所連接的FD150型電容式發(fā)爆器，采用電火花式進(jìn)行點(diǎn)火起爆。反應(yīng)完成后，讓爆轟反應(yīng)管靜置10~15min，待爆轟反應(yīng)管內(nèi)生成的固體粉末完全沉積并冷卻至常溫后，打開尾氣收集鋼瓶的閥門進(jìn)行尾氣收集。當(dāng)壓力表示數(shù)穩(wěn)定后，打開兩側(cè)法蘭板，收集爆轟產(chǎn)物。利用細(xì)孔篩子進(jìn)行過濾，再用蒸餾水進(jìn)行清洗，最后蒸干得到干燥的納米粉體。利用X射線對(duì)摻雜粉體進(jìn)行X-射線衍射分析(XRD)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)明顯的Fe2O3衍射峰，借助Scherrer公式計(jì)算得到Fe2O3的晶粒尺寸為68.9nm，而所得產(chǎn)物中的SiO2為非晶狀態(tài)，形成彌散峰。通過X射線熒光光譜分析(XRF)對(duì)所得產(chǎn)物進(jìn)行成分分析(圖2)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)納米二氧化硅的質(zhì)量比和摩爾比分別占:20.5%和39.7%，納米氧化鐵的質(zhì)量分比和摩爾比分別為:76.3%和55.6%。利用透射電鏡(TEM)對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行形貌表征(圖3)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)納米混合氧化物（SiO2-Fe2O3）粉體顆粒為球形，晶體的分散性較好，晶體顆粒尺寸在50~120nm左右。