纳米二氧化硅的基本性质及其制备应用简介
2020-12-18 17:41:51
1.纳米二氧化硅的性质
1.1 纳米二氧化硅的物理性质
纳米二氧化硅（SiO2）是一种无毒、无味、无污染的无机非金属材料，为无定型白色粉末。在透射电镜分析中可知，此种材料明显显现出絮状或网状的准颗粒结构，而且其颗粒尺寸小，比表面积大。工业用SiO2称作白炭黑，质量较轻，是一种超微细粉体，粒径在0.3μm以下，相对密度为2.319～2.653，熔点为1750℃，暴露在空气中吸潮后会形成聚合的细颗粒。且纳米的分支状态呈三维链状结构，表面存在不饱和残键和不同键合状态的羟基。
图1 二氧化硅实物、晶格结构及三维链状结构
1.2 纳米二氧化硅的化学性质
纳米SiO2作为纳米粉体，其体积效应和量子隧道效应使得其产生渗透作用，可深入到高分子化合物的π键附近，与高分子化合物的电子云发生重叠，形成空间网状结构，从而大幅度提高了高分子材料的力学强度、韧性、耐磨性和耐老化性等。因而，人们常利用纳米SiO2的这些特殊结构和性能对塑料及涂料进行改性或制备有机SiO2复合材料，提高有机高分子材料的综合性能。
1.3 纳米二氧化硅的光学性质
纳米SiO2作为纳米粉体，其小尺寸效应和表面界面效应使得其具有与常规材料不同的光学特性。利用分光光谱仪对纳米SiO2进行测试，可知其对波长200～280nm紫外光短波段，反射率为70%～80%；对波长280～300nm的紫外中波段，反射率为80%以上；在波长300～800nm之间，纳米SiO2材料的光反射率达85%；对波长在800～1300nm的近红外光反射率也达70～80%。
2. 纳米二氧化硅的制备
目前，制备纳米的方法主要包括：气相法、沉淀法、Sol-Gel法、水热合成法、微乳液反应法、共沸蒸馏法及超重力反应法等。下面为大家简单介绍一下气相法、沉淀法和水热合成法。
2.1 气相法
气相法多以四氯化硅为原料，采用四氯化硅气体在氢氧气流高温下水解制得烟雾状的SiO2。激光激活化学气相沉积(ILCVD)也是气相法中制备纳米SiO2的有效方法。该法比较容易制备出晶态和非晶态纳米粒子，产物纯度高、分散度高、粒子细而且成球形，表面羟基少，因而具有优异的补强性能，且具有清洁、无壁效应、粒度分布均匀、无粘结、产量高、可连续生产及应用广泛等优点。但是其缺点也很明显：原料昂贵，能耗高，技术复杂，设备要求高。反应方程式如下所示：
2.2 沉淀法
目前，沉淀法制备二氧化硅技术包括以下几类：
（1）在有机溶剂中制备高分散性能的二氧化硅；
（2）酸化剂与硅酸盐水溶液反应，沉降物经分离、干燥制备二氧化硅；
（3）碱金属硅酸盐与无机酸混和形成二氧化硅水溶胶，再转变为凝胶颗粒，经干燥、热水洗涤、再干燥，锻烧制得二氧化硅；（化学沉淀法）
（4）水玻璃的碳酸化制备二氧化硅；（碳化沉淀法）
（5）通过喷雾造粒制备边缘平滑非球形二氧化硅。
化学沉淀法是硅酸盐通过酸化获得疏松、细分散的、以絮状结构沉淀出来的SiO2粉体。该法原料易得，生产流程简单，能耗低，投资少，但是产品质量不如采用气相法和凝胶法的产品好。反应方程式如下所示：
碳化沉淀法则是利用水玻璃和纯度高于99%的CO2气体为原料来制备纳米的。用该法制备的SiO2粒子大小均匀，平均粒径小于30nm，为无定形结构。由于反应在超重力环境中进行，所以，传质过程和微观混合过程得到了极大强化，大大缩短了反应时间。反应过程如下所示：
2.3 水热合成法
水热反应是指是高温高压下，在水溶液或蒸汽等流体中进行有关化学反应。利用水热反应制备粉体是指利用此种方法为各种前驱物的反应和结晶提供了一个常压条件下无法得到的特殊的物理化学环境。粉体的形成经历溶解和结晶过程。该法的特点是粒子纯度高、分散性好、晶型好且大小可控，但是对设备要求高，操作复杂，能耗较大。值得注意的是，水热合成过程中的温度、压力、样品处理时间以及溶液的成分、酸碱性、所用的前驱体种类、有无矿化剂和矿化剂的种类等对所生成的氧化物颗粒的大小、形式体系的组成、是否为纯相等有很大的影响。
3. 纳米二氧化硅的应用
3.1 在陶瓷制品中的应用
在陶瓷制品中添加适量的纳米SiO2，不但能大大降低了陶瓷制品的脆性，而且可以使陶瓷的韧性提高了几倍甚至几十倍，光洁度亦明显提高，还使陶瓷在较低温度下烧制，从而使陶瓷制品档次提高数级。
3.2 在橡胶制品中的应用
橡胶是二氧化硅应用的传统领域，其中鞋类制品用量最大。目前，随着二氧化硅用量的增加，其应用的制品种类也越来越多。
（1）制造胶辊。如用于复印机或激光打印机的半导电性胶辊，电子摄影机连续输送胶片的胶辊，金属芯硅橡胶辊。
（2）制造轮胎。最大的应用是制造绿色轮胎，如白炭黑补强顺丁橡胶用于轮胎胎面。另外，还可利用纳米SiO2改性轮胎侧面胶生产彩色轮胎。
（3）用于补强硅橡胶制备薄膜、垫片。
3.3 在塑料制品中的应用
常规SiO2作为补强剂添加到塑料中，而纳米SiO2的作用不仅是补强，它还具有许多新的性能，这主要是利用纳米SiO2透光、粒度小，可以使塑料变得更加致密。如在聚苯乙烯塑料薄膜中添加纳米SiO2后，不但提高了其透明度、强度、韧性，而且在防水性能和抗老化性能方面也有明显提高。
3.4 在涂料制品中的应用
纳米SiO2具有极强的紫外和红外反射特性，因此，它添加到涂料中能对涂料形成屏蔽作用，从而达到抗紫外老化和热老化的目的，同时，增加了涂料的隔热性。另外，纳米SiO2还具有三维网状结构，拥有庞大的比表面积，表现出极大的活性，能在涂料干燥时形成网状结构，不仅增加了涂料的强度和光洁度，而且还能保持涂料的颜色长期不变。
3.5 在喷墨打印纸中的应用
二氧化硅还可以用于喷墨打印纸的涂覆材料。彩色喷墨打印出来的画面要求色彩鲜艳、清晰度高，很关键的一个因素就是彩色喷墨打印纸的质量，而彩色喷墨打印纸的质量主要决定于其吸墨涂层的性能。吸墨涂层中的主要成分一般是两类：高分子树脂和颜料颗粒。作为颜料颗粒，目前各国主要采用的是二氧化硅。这些二氧化硅的结构和性能对吸墨涂层的质量有决定性的影响。二氧化硅的作用是在涂层中形成含有大量微孔的网络,对喷印的墨滴起吸附并固着作用，防止墨滴的渗色和深层渗透，从而使打印的图象具有较高的饱和度和清晰度，达到多层彩色相纸的质量水平。
参考文献
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：刘洋