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1、纳米 二氧化硅 的结构、制备及应用纳米二氧化硅的结构、制备及应用摘要:纳米二氧化硅是极其重要的高科技超微细无机新材料之一,因其粒径很小，比表面积大，表面吸附力强，表面能大，化学纯度高、分散性能好、热阻、电阻等方面具有特异的性能，以其优越的稳定性、补强性、增稠性和触变性，在众多学科及领域内独具特性，有着不可取代的作用。本文整理相关文献，介绍纳米二氧化硅材料的结构特征、主要制备方法及相关应用。关键词:纳米二氧化硅结构特征制备应用一、引言1纳米材料是当今无机化学及材料化学研究的热门课题之一，因其具有表面效应、宏观量子隧道效应和小尺寸效应，其所表现的诸如熔点、磁性、光学、导热、导电等性质，往往不同于该
2、物质在整体状态时所表现的性质。因此纳米材料被广泛的应用于医药学、电子工业、环境科学和纺织工业等领域，具有广阔的前景。纳米二氧化硅是极其重要的高科技超微细无机新材料之一,因其粒径很小，比表面积大，表面吸附力强，表面能大，化学纯度高、分散性能好、热阻、电阻等方面具有特异的性能，以其优越的稳定性、补强性、增稠性和触变性，在众多学科及领域内独具特性，有着不可取代的作用。纳米二氧化硅俗称超微细白炭黑，广泛用于各行业作为添加剂、催化剂载体，石油化工，脱色剂，消光剂，橡胶补强剂，塑料充填剂，油墨增稠剂，金属软性磨光剂，绝缘绝热填充剂，高级日用化妆品填料及喷涂材料、医药、环保等各种领域。纳米二氧化硅因其独特的
3、性质引起了国内外科学家的广泛关注。本文整理相关文献，介绍纳米二氧化硅材料主要制备方法及相关应用。二、纳米SiO2的结构特征2-3SiO2按制备方法可分为气相法SiO2和沉淀法SiO2,这两类SiO2表面都存在大量残键和不同键合状态的羟基(相邻羟基、隔离羟基和双羟基),这种高活性的表面微观结构使SiO2极易以一次团聚体为基本单元联结成球状、线链状、团簇状等三维立体骨架或点阵结构形式。在X射线衍射下,气相法纳米SiO2和沉淀法纳米SiO2粒均呈无定形结构,气相法SiO2粒径小,尺寸均一,表面羟基含量低,吸附活性高,内部结构几乎完全是排列紧密的三维网络状结构,具有一定的物理化学稳定性。气相法纳米Si
4、O2超小的粒径和超大的比表面积使得由其制备的橡胶复合材料能够从真正意义上体现出纳米材料的特性。沉淀法纳米SiO2尺寸大,粒径不容易控制,羟基含量高,排列疏松的分子体系残存有较多的二维线性结构,这种毛细管结构现象极易吸湿空气和水而形成硬团聚,严重影响SiO2微粒以纳米量级分散形式在复合体系中发挥作用,影响增强效果。纳米SiO2较高的表面活性导致纳米微粒间非常容易联接形成粒子链状结构,进而形成立体网络状结构,即所谓纳米颗粒的结构化。三、纳米SiO2制备4-5纳米二氧化硅的制备方法主要有干法和湿法两种。干法包括气相分解法和电弧法,湿法包括气相沉积法、化学沉淀法、溶胶-凝胶法和微乳液法等。干法制备工艺
5、制备的纳米二氧化硅纯度高,性能好但设备投资较大、生产过程中能耗大,成本高,故不常采用。目前国内外多采用湿法工艺来制备纳米二氧化硅。1.气相沉淀法气相沉积法以四氯化硅为原料,采用四氯化硅气体在氢、氧气流高温下水解制得烟雾状的二氧化硅。其工艺流程是经气化的四氯化硅、氢和氧组成的均相气体混合在水解炉中燃烧,完成高温水解反应,烟雾状的二氧化硅通过聚集器聚集,然后经过分离器到脱酸炉中进行脱酸处理,即可得到纳米二氧化硅,反应生成的HCl气体经水洗塔水洗后成为低浓度的盐酸。2.化学沉淀法化学沉淀法是以硅酸钠和酸化剂(H2SO4、HCl等)为原料,用酸化剂和硅酸钠溶液反应,反应生成的沉淀物经分离、干燥后得到S
6、iO2。化学沉淀法是目前生产纳米二氧化硅最主要的方法,最终的产品粒径主要受所选择的酸化剂、硅酸盐浓度及搅拌条件等的影响。常用的酸化剂为硫酸、盐酸以及硝酸等,也有选用有机酸酸化剂或有机-无机复合酸化剂的,也可用乙酸乙酯水解释放出H+作酸化剂,可得到粒径为20nm左右的纳米SiO2粉体。3.溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法一般是将硅酸酯与无水醇按一定的摩尔比搅拌成均匀的混合溶液,在搅拌状态下缓慢加入适量的去离子水,然后调节溶液的pH值,再加入合适的表面活性剂,将所得溶液搅拌后在室温下陈化制得凝胶,干燥后得纳米SiO2粉体。采用溶胶-凝胶法技术制备的纳米二氧化硅,其最终粒径受反应物水和NH3的浓度、硅酸酯的
7、类型正硅酸四甲酯(TMOS)、正硅酸四乙酯(TEOS)和正硅酸四丙酯(TPOS)等、醇的种类(甲醇、乙醇、丙醇和戊醇等)、催化剂的种类(酸或碱)和温度等因素的影响而有所不同。通过对这些影响因素的调控,可获得不同结构的纳米材料。最常用的硅酸酯是TEOS。首先将TEOS水解成原硅酸,然后原硅酸分子间脱水,逐步形成Si-O-Si长链,最终形成硅氧四面体组成的纳米SiO2大分子。四、纳米SiO2的应用6-9纳米SiO2具有小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和特殊光、电特性、高磁阻现象、非线性电阻现象以及在高温下仍具有的高强、高韧、稳定性好等奇异特性,使得纳米SiO2在塑料、橡胶、
8、涂料、生物医学工程、光学、树脂基复合材料、催化剂、农业、化妆品以及催化剂等领域具有广泛的应用。1.树脂基复合材料的改性树脂基复合材料具有轻质、高强、耐腐蚀等特点,随着应用领域对树脂基材料性能的要求的提高,高性能的树脂基复合材料不断产生,把分散好的纳米SiO2颗粒均匀地加到树脂材料中,可以提高材料强度和延伸率,提高耐磨性和改善材料表面的光洁,提高抗老化性能,从而改善树脂基复合材料性能。用纳米SiO2改性的树脂材料制作玻璃钢制品,因纳米颗粒与有机高分子产生接枝和键和作用,使材料韧性增加,可克服玻璃钢本身的硬度较低、耐磨性较差的缺点,提高拉伸强度和冲击强度以及耐热性能。2.塑料领域中的应用在塑料中,
9、常规SiO2作为补强添加剂加到塑料中,利用它的透光性,粒度小,可以使塑料变得更加致密。纳米SiO2的作用不仅仅是补强,它具有许多新的特性,如半透明性的塑料薄膜,添加纳米SiO2不但提高了薄膜的透明度强度韧性,更重要的是防水性能大大提高。将纳米SiO2加入到聚酯树脂、环氧树脂、塑钢门窗硬脂、乙烯基树脂等可加工树脂材料中,能明显提高产品质量,方便加工成型,提高生产效率,增加品种,扩大应用范围等。3.橡胶领域中的应用传统橡胶生产过程中通常在胶料中加入炭黑来提高强度、耐磨性和抗老化性,但制品均为黑色,且档次较低。纳米SiO2作为补强剂,在普通橡胶中添加少量后,产品的强度、耐磨性和抗老化性等性能均能达到
10、甚至超过传统高档橡胶制品,而且能生产出色彩新颖、性能优异的新一代橡胶制品。如纳米SiO2改性的橡胶材料,可以保持颜色长久不变,彩色轮胎侧面胶的抗折性能由原来的10万次提高到50万次以上。4.陶瓷方面的应用在现代氧化物陶瓷生产中,添加少量的纳米Al2O3,可以使陶瓷更加致密,强度和抗冷热疲劳等性能大幅提高。以纳米SiO2代替纳米Al2O3添加到陶瓷内,采用二相粒子固溶共溶、注入以及弥散等复合技术,不但提高了陶瓷材料的强度、韧性,而且提高了材料的硬度和弹性模量等性能,其效果比添加Al2O3更理想。5.纺织领域中的应用以纳米SiO2和纳米TiO2的适当配比而成的复合粉体是抗紫外辐射纤维的重要添加剂,
11、将纳米SiO2和纳米TiO2混入化学纤维中,得到的化学纤维具有除臭及净化空气的功能。这种纤维可被用于制造长期卧床病人和医院的消臭敷料、绷带以及睡衣等。6.农业及食品领域中的应用在农业中,应用纳米SiO2制作农业种子处理剂,可使蔬菜(甘蓝、西红柿、黄瓜)棉花、玉米、小麦提高产量,提前成熟期。又如纳米SiO2还可应用于除草剂和杀虫剂中,若在颗粒状的杀虫剂配方中,加入少量纳米SiO2会有效地控制和防止有害物产生。在食品行业中,纳米SiO2也有许多应用之处。如添加纳米SiO2的食品包装袋,对水果、蔬菜可起到保鲜作用;应用纳米SiO2于酒类生产中可起到净化和延长保鲜期的作用,还可作防治水果、蔬菜各种疾病
12、的高效杀菌剂。参考文献:1百度百科,纳米二氧化硅,杨清芝,实用橡胶工艺学M.北京:化学工业出版社,2005:707113LeeJH,JiWY.ElectricalandmechanicalpropertiesofsiliconerubberforhighvoltageinsulationJ.1PropertiesandApplicationsofDielectricMaterials,2003(2):59159414李曦,刘连利,王莉丽.沉淀-超声法制备纳米二氧化硅J.化学世界,2007,48(12):705-7085曹淑超,伍林,易得莲等.纳米二氧化硅的制备工艺及其进展J.化学与生物工程,2005,(9):1-36许石豪,刘丰,李小红等.纳米二氧化硅的结构及表面改性对橡胶复合材料性能影响的研究进展J.合成橡胶工业,2009,32(6):522-5267李建新,王磊,孙洪巍.纳米二氧化硅的制备、改性和在塑料中的应用J.安阳工学院学报,2008,(2):43-45,478安秋风,郭锟.纳米SiO2表面改性及其应用在复合材料中的研究进展J.纳米科技,2007,(5):9-149翟晓瑜,张秋禹,艾秋实等.纳米二氧化硅的制备及其在环氧树脂中的应用J.中国胶粘剂,2009,18(6):62-65
