納米二氧化硅的基本性質(zhì)及其制備應(yīng)用簡介

1. 納米二氧化硅的性質(zhì)

1.1 納米二氧化硅的物理性質(zhì)

工業(yè)用SiO2稱作白炭黑，質(zhì)量較輕，是一種超微細粉體，粒徑在0.3μm以下，相對密度為2.319～2.653，熔點為1750℃，暴露在空氣中吸潮后會形成聚合的細顆粒。且納米的分支狀態(tài)呈三維鏈狀結(jié)構(gòu)，表面存在不飽和殘鍵和不同鍵合狀態(tài)的羥基。

1.2 納米二氧化硅的化學(xué)性質(zhì)

納米SiO2作為納米粉體，其體積效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)使得其產(chǎn)生滲透作用，可深入到高分子化合物的π鍵附近，與高分子化合物的電子云發(fā)生重疊，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而大幅度提高了高分子材料的力學(xué)強度、韌性、耐磨性和耐老化性等。因而，人們常利用納米SiO2的這些特殊結(jié)構(gòu)和性能對塑料及涂料進行改性或制備有機SiO2復(fù)合材料，提高有機高分子材料的綜合性能。

1.3 納米二氧化硅的光學(xué)性質(zhì)

納米SiO2作為納米粉體，其小尺寸效應(yīng)和表面界面效應(yīng)使得其具有與常規(guī)材料不同的光學(xué)特性。利用分光光譜儀對納米SiO2進行測試，可知其對波長200～280nm紫外光短波段，反射率為70%～80%；對波長280～300nm的紫外中波段，反射率為80%以上；在波長300～800nm之間，納米SiO2材料的光反射率達85%；對波長在800～1300nm的近紅外光反射率也達70～80%。

2. 納米二氧化硅的制備

目前，制備納米的方法主要包括：氣相法、沉淀法、Sol-Gel法、水熱合成法、微乳液反應(yīng)法、共沸蒸餾法及超重力反應(yīng)法等。下面為大家簡單介紹一下氣相法、沉淀法和水熱合成法。

2.1 氣相法

氣相法多以四氯化硅為原料，采用四氯化硅氣體在氫氧氣流高溫下水解制得煙霧狀的SiO2。激光激活化學(xué)氣相沉積(ILCVD)也是氣相法中制備納米SiO2的有效方法。該法比較容易制備出晶態(tài)和非晶態(tài)納米粒子，產(chǎn)物純度高、分散度高、粒子細而且成球形，表面羥基少，因而具有優(yōu)異的補強性能，且具有清潔、無壁效應(yīng)、粒度分布均勻、無粘結(jié)、產(chǎn)量高、可連續(xù)生產(chǎn)及應(yīng)用廣泛等優(yōu)點。但是其缺點也很明顯：原料昂貴，能耗高，技術(shù)復(fù)雜，設(shè)備要求高。

2.2 沉淀法

目前，沉淀法制備二氧化硅技術(shù)包括以下幾類：

（1）在有機溶劑中制備高分散性能的二氧化硅；

（2）酸化劑與硅酸鹽水溶液反應(yīng)，沉降物經(jīng)分離、干燥制備二氧化硅；

（3）堿金屬硅酸鹽與無機酸混和形成二氧化硅水溶膠，再轉(zhuǎn)變?yōu)槟z顆粒，經(jīng)干燥、熱水洗滌、再干燥，鍛燒制得二氧化硅；（化學(xué)沉淀法）

（4）水玻璃的碳酸化制備二氧化硅；（碳化沉淀法）

（5）通過噴霧造粒制備邊緣平滑非球形二氧化硅。

化學(xué)沉淀法是硅酸鹽通過酸化獲得疏松、細分散的、以絮狀結(jié)構(gòu)沉淀出來的SiO2粉體。該法原料易得，生產(chǎn)流程簡單，能耗低，投資少，但是產(chǎn)品質(zhì)量不如采用氣相法和凝膠法的產(chǎn)品好。反應(yīng)方程式如下所示：

碳化沉淀法則是利用水玻璃和純度高于99%的CO2氣體為原料來制備納米的。用該法制備的SiO2粒子大小均勻，平均粒徑小于30nm，為無定形結(jié)構(gòu)。由于反應(yīng)在超重力環(huán)境中進行，所以，傳質(zhì)過程和微觀混合過程得到了極大強化，大大縮短了反應(yīng)時間。

.3 水熱合成法

水熱反應(yīng)是指是高溫高壓下，在水溶液或蒸汽等流體中進行有關(guān)化學(xué)反應(yīng)。利用水熱反應(yīng)制備粉體是指利用此種方法為各種前驅(qū)物的反應(yīng)和結(jié)晶提供了一個常壓條件下無法得到的特殊的物理化學(xué)環(huán)境。粉體的形成經(jīng)歷溶解和結(jié)晶過程。該法的特點是粒子純度高、分散性好、晶型好且大小可控，但是對設(shè)備要求高，操作復(fù)雜，能耗較大。值得注意的是，水熱合成過程中的溫度、壓力、樣品處理時間以及溶液的成分、酸堿性、所用的前驅(qū)體種類、有無礦化劑和礦化劑的種類等對所生成的氧化物顆粒的大小、形式體系的組成、是否為純相等有很大的影響。

3. 納米二氧化硅的應(yīng)用

3.1 在陶瓷制品中的應(yīng)用

在陶瓷制品中添加適量的納米SiO2，不但能大大降低了陶瓷制品的脆性，而且可以使陶瓷的韌性提高了幾倍甚至幾十倍，光潔度亦明顯提高，還使陶瓷在較低溫度下燒制，從而使陶瓷制品檔次提高數(shù)級。

3.2 在橡膠制品中的應(yīng)用

橡膠是二氧化硅應(yīng)用的傳統(tǒng)領(lǐng)域，其中鞋類制品用量最大。目前，隨著二氧化硅用量的增加，其應(yīng)用的制品種類也越來越多。

（1）制造膠輥。如用于復(fù)印機或激光打印機的半導(dǎo)電性膠輥，電子攝影機連續(xù)輸送膠片的膠輥，金屬芯硅橡膠輥。

（2）制造輪胎。最大的應(yīng)用是制造綠色輪胎，如白炭黑補強順丁橡膠用于輪胎胎面。另外，還可利用納米SiO2改性輪胎側(cè)面膠生產(chǎn)彩色輪胎。

（3）用于補強硅橡膠制備薄膜、墊片。

3.3 在塑料制品中的應(yīng)用

常規(guī)SiO2作為補強劑添加到塑料中，而納米SiO2的作用不僅是補強，它還具有許多新的性能，這主要是利用納米SiO2透光、粒度小，可以使塑料變得更加致密。如在聚苯乙烯塑料薄膜中添加納米SiO2后，不但提高了其透明度、強度、韌性，而且在防水性能和抗老化性能方面也有明顯提高。

3.4 在涂料制品中的應(yīng)用

納米SiO2具有極強的紫外和紅外反射特性，因此，它添加到涂料中能對涂料形成屏蔽作用，從而達到抗紫外老化和熱老化的目的，同時，增加了涂料的隔熱性。另外，納米SiO2還具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，擁有龐大的比表面積，表現(xiàn)出極大的活性，能在涂料干燥時形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不僅增加了涂料的強度和光潔度，而且還能保持涂料的顏色長期不變。

3.5 在噴墨打印紙中的應(yīng)用

二氧化硅還可以用于噴墨打印紙的涂覆材料。彩色噴墨打印出來的畫面要求色彩鮮艷、清晰度高，很關(guān)鍵的一個因素就是彩色噴墨打印紙的質(zhì)量，而彩色噴墨打印紙的質(zhì)量主要決定于其吸墨涂層的性能。吸墨涂層中的主要成分一般是兩類：高分子樹脂和顏料顆粒。作為顏料顆粒，目前各國主要采用的是二氧化硅。這些二氧化硅的結(jié)構(gòu)和性能對吸墨涂層的質(zhì)量有決定性的影響。二氧化硅的作用是在涂層中形成含有大量微孔的網(wǎng)絡(luò),對噴印的墨滴起吸附并固著作用，防止墨滴的滲色和深層滲透，從而使打印的圖象具有較高的飽和度和清晰度，達到多層彩色相紙的質(zhì)量水平。