納米二氧化硅的應(yīng)用及其發(fā)展

　　納米二氧化硅屬于無(wú)機(jī)非金屬納米材料，其粒徑大小在1-100nm之間，具有吸附性強(qiáng)、可塑性良好、同時(shí)具有高磁阻性和低熱導(dǎo)性等特性，已被廣泛應(yīng)用于電子冶金、航空航天以及醫(yī)藥衛(wèi)生行業(yè)。且因其粒徑小、化學(xué)純度高、分散性好等特異性?xún)?yōu)勢(shì)，使得其成為了最有發(fā)展前景的新型無(wú)機(jī)材料，為很多相關(guān)行業(yè)的發(fā)展提供了優(yōu)質(zhì)材料基礎(chǔ)以及技術(shù)保障。其所具有的廣闊的商業(yè)前景和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，其制備、提純、化學(xué)反應(yīng)、以及性質(zhì)應(yīng)用等方面已成為了科學(xué)研究的熱點(diǎn)。

1、納米二氧化硅的概述

      1.1　納米二氧化硅的化學(xué)性質(zhì)

　　納米二氧化硅是納米材料中的重要一員，是一種外形為白色無(wú)定型粉末，無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)污染的非金屬材料，其微結(jié)構(gòu)呈絮狀或網(wǎng)狀的準(zhǔn)顆粒結(jié)構(gòu)，為球形。

　　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(qiáng)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(duì)塑料及涂料進(jìn)行改性或制備有機(jī)SiO2復(fù)合材料，提高有機(jī)高分子材料的綜合性能。

      1.2　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(duì)納米SiO2進(jìn)行測(cè)試，可知其對(duì)波長(zhǎng)200～280nm紫外光短波段，反射率為70%～80%；對(duì)波長(zhǎng)280～300nm的紫外中波段，反射率為80%以上；在波長(zhǎng)300～800nm之間，納米SiO2材料的光反射率達(dá)85%；對(duì)波長(zhǎng)在800～1300nm的近紅外光反射率也達(dá)70～80%。

　　這種特殊的結(jié)構(gòu)使它具有獨(dú)特的性質(zhì)：納米二氧化硅對(duì)波長(zhǎng)490nm以?xún)?nèi)的紫外線反射率高達(dá)70%～80%，將其添加在高分子材料中，可以達(dá)到抗紫外線老化和熱老化的目的[1]。

      1.3　納米二氧化硅的其他性質(zhì)

　　納米二氧化硅的小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)使其產(chǎn)生淤滲作用，可深入到高分子鏈的不飽和鍵附近，并和不飽和鍵的電子云發(fā)生作用，改善高分子材料的熱、光穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，從而提高產(chǎn)品的抗老化性和耐化學(xué)性。而且其不但具有粒徑小、化學(xué)純度高、分散性好等特異性?xún)?yōu)勢(shì)。還具有吸附性強(qiáng)、可塑性良好、同時(shí)具有高磁阻性和低熱導(dǎo)性的優(yōu)勢(shì)[2]。

2、納米二氧化硅的加工工藝

      2.1　納米二氧化硅的制備

　　制備二氧化硅的工藝分為干法和濕法兩大類(lèi)。干法制備的特點(diǎn)是其產(chǎn)品純度高，而且性能相對(duì)較好，但是其所需設(shè)備要求高投資成本大、 而且在生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中能耗大。濕法制備應(yīng)用要求較低，所需原料普遍且價(jià)格低廉，所生產(chǎn)產(chǎn)品純度雖然比干法制備的低，但經(jīng)一系列的化學(xué)反應(yīng)改性后，性能與炭黑接近。無(wú)論是采用干法制備還是濕法制備我們所要達(dá)到的目的是生產(chǎn)出純度高、 顆粒小、 分散性好的納米二氧化硅產(chǎn)品[3]。

      2.1.1　干法制備納米二氧化硅

　　干法制備納米二氧化硅的原料通常使用無(wú)機(jī)硅或者鹵硅烷、氧氣(或空氣)和氫氣，經(jīng)高溫反應(yīng)進(jìn)行制備，得到的是二氧化硅溶膠。本次研究我們采用 SiCl4、CH3SiCl3做為例子。

　　反應(yīng)式為:

     SiCl4+2H2+O2→SiO2+4HCl

     2CH3SiCl3+5O2+2H2→2SiO2+6HCl+2CO2+2H2O

　　這也是干法中常用的原料，通常還可以采用硅砂、焦炭電孤加熱的方法、有機(jī)硅化合物熱分解法等等。主要的制備工藝流程為：將以上有機(jī)硅化合物與空氣、氫氣進(jìn)行充分混合后，在高溫情況下水解，水解完全后再進(jìn)行分離，將大的凝焦顆粒分離出來(lái)，脫酸得到氣相的二氧化硅。

　　反應(yīng)式為：

     2H2+O2+硅化合物→氣相SiO2+4H+

      2.1.2　濕法制備納米二氧化硅

　　濕法制備納米SiO2一般分為沉淀法[4]、凝膠法以及水解法，生產(chǎn)中最常使用的方法是沉淀法。沉淀法即濕法，是可溶性硅酸鹽在酸性環(huán)境中被分解，所得產(chǎn)物中二氧化硅不溶。

　　化學(xué)反應(yīng)式為：

     NaSiO3+2HX—SiO2+2NaX+H2O

　　在濕法制備工藝中還有溶膠―凝膠法，該方法是把硅酸酯、無(wú)水乙醇按照計(jì)算的摩爾比充分均勻混合制成混合溶液，在攪拌的同時(shí)緩慢注入一定量的去離子水后，調(diào)節(jié) pH值，加入表面活性劑,室溫下攪拌/陳化制得凝膠，經(jīng)干燥得到納米二氧化硅粉體。有相關(guān)研究表明正硅酸乙酯使用堿做催化劑進(jìn)行水解聚合反應(yīng)所制備的納米二氧化硅能在常溫下快速反應(yīng)，簡(jiǎn)單易行且所得產(chǎn)品粒徑小分布均勻[5]。

　　隨著納米二氧化硅在各個(gè)行業(yè)的廣泛應(yīng)用，其研究和制備方法的更新正日益發(fā)展，故此新的合成手段和材料也將不斷的涌現(xiàn)出來(lái)。

      2.2　納米二氧化硅的改性

　　做為新型無(wú)機(jī)非金屬材料納米二氧化硅的表面表現(xiàn)為親水性，根據(jù)相似相溶原理，導(dǎo)致其與無(wú)機(jī)物配合時(shí)兼容性好，與有機(jī)物配合時(shí)表現(xiàn)差。當(dāng)其與有機(jī)物混合時(shí)配合率低、難分散。為了增強(qiáng)其與有機(jī)物的兼容性，故對(duì)其進(jìn)行表面改性。對(duì)納米二氧化硅的表面改性主要分為熱處理方法和化學(xué)改性?xún)煞N。二氧化硅的表面改性對(duì)其表面的羥基進(jìn)行處理，使其發(fā)生反應(yīng)以減少納米二氧化硅表面的親水基團(tuán)硅醇基的量，使其由親水為主變?yōu)槭杷疄橹鳌?/p>

      2.2.1　熱處理改性

　　做為納米二氧化硅表面改性的主要手段之一，經(jīng)過(guò)熱處理后二氧化硅的表面親水性降低，吸濕能力下降，與其他無(wú)機(jī)親水性物質(zhì)兼容性也會(huì)下降，與有機(jī)物的兼容性增強(qiáng)，混合后分散性增強(qiáng)。此方法的應(yīng)用較為簡(jiǎn)便且花費(fèi)少經(jīng)濟(jì)。但是其對(duì)改善填充時(shí)界面的粘合性效果不好，因?yàn)榻?jīng)過(guò)高溫加熱由氫鍵締合的相鄰羥基發(fā)生分子內(nèi)脫水使的羥基減少。[6]因此在實(shí)際應(yīng)用中,常用含鋅化合物對(duì)納米二氧化硅處理后在進(jìn)行熱處理。

      2.2.2　化學(xué)改性

　　為有效提高聚合物親和性以及反應(yīng)活性，常常對(duì)納米二氧化硅表面進(jìn)行處理，由于其表面存在的活性硅醇基能與有機(jī)硅烷或者低碳醇、脂肪酸等有機(jī)物反應(yīng)，所產(chǎn)生基團(tuán)具有多親油性，可以提高親和性和表面活性。

3、納米二氧化硅的應(yīng)用

　　由于納米二氧化硅具有吸附性強(qiáng)、可塑性良好、同時(shí)具有高磁阻性和低熱導(dǎo)性。已被廣泛應(yīng)用于電子冶金、航空航天以及醫(yī)藥衛(wèi)生行業(yè)。而且因?yàn)槠淞叫?、化學(xué)純度高、分散性好等特異性?xún)?yōu)勢(shì)，使得其成為了最有發(fā)展前景的新型無(wú)機(jī)材料。為很多相關(guān)行業(yè)的發(fā)展提供了優(yōu)質(zhì)材料基礎(chǔ)以及技術(shù)保障。其微結(jié)構(gòu)為球形以絮狀或網(wǎng)狀的準(zhǔn)顆粒狀，外形為白色無(wú)定型粉末，無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)污染。它具有光學(xué)性能、抗老化性、耐化學(xué)腐蝕等化學(xué)特性[7]。而且其具有粒徑小、化學(xué)純度高、分散性好等特異性?xún)?yōu)勢(shì)。其還具有吸附性強(qiáng)、可塑性良好、同時(shí)具有高磁阻性和低熱導(dǎo)性的優(yōu)勢(shì)。

      3.1　納米二氧化硅應(yīng)用于抗菌領(lǐng)域

　　納米二氧化硅具有很好的生理惰性、吸附性強(qiáng)、可塑性良好,抗老化性、耐化學(xué)腐蝕等化學(xué)特性。無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)污染。

　　因此在殺菌劑制備時(shí)可用作載體。將納米抗菌粉應(yīng)用于搪瓷釉料中，可生產(chǎn)出能夠高效防霉、抗菌的洗衣機(jī)。如將納米抗菌粉與內(nèi)墻涂料混合使用，可起到長(zhǎng)久抗菌防霉功效。時(shí)代在進(jìn)步，人們的健康意識(shí)不斷增強(qiáng)，因此納米抗菌粉將在醫(yī)療衛(wèi)生、建材、家電、化工纖維以及塑料制品等行業(yè)日益發(fā)展壯大。

      3.2　納米二氧化硅應(yīng)用于光學(xué)領(lǐng)域

　　納米二氧化硅作為新型光纖材料能有效降低能量損耗，經(jīng)過(guò)熱處理后的納米二氧化硅光纖材料對(duì)光的波長(zhǎng)在600納米以上的傳輸損耗小于10dB/km。納米微粒的膜材料在燈泡工業(yè)上有很好的應(yīng)用前景[8]。用納米二氧化硅微粒制成的多層干涉膜，襯在燈泡罩的內(nèi)壁，不但有好的透光率同時(shí)具有很強(qiáng)的紅外線反射能力與傳統(tǒng)使用的鹵素?zé)粝啾龋涫褂脡勖L(zhǎng)，發(fā)光的效率也更高。

      3.3　在涂料領(lǐng)域

　　納米二氧化硅具有三維網(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(shí)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)增加了涂料的強(qiáng)度和光潔度，而且提高了顏料的懸浮性，能保持涂料的顏色長(zhǎng)期不退色。在建筑內(nèi)外墻涂料中，若添加納米二氧化硅，可明顯改善涂料的開(kāi)罐效果，涂料不分層，具有觸變性、防流掛 、施式性能良好，尤其是抗沾污染性能大大提高，具有優(yōu)良的自清潔能力和附著力。

　　由于納米二氧化硅粒子比表面積大，能與聚合物分子產(chǎn)生強(qiáng)烈的交聯(lián)作用，同時(shí)由于納米二氧化硅尺寸較小，可以填充涂層中的孔隙，使涂層更加致密，大大提髙涂料的剪切力和剝離力，使涂層的附著力增大。并且納米二氧化硅的加入，使復(fù)合漆的腐蝕電位正移，陽(yáng)極腐蝕電流減小約2個(gè)數(shù)量級(jí)，涂層耐腐蝕性能顯著提高。

4、總結(jié)

　　隨著社會(huì)、科技的發(fā)展，納米二氧化硅應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，新的制備納米二氧化硅的方法日益增加。目前全球?qū){米二氧化硅的生產(chǎn)制備仍處于初級(jí)階段，有許多類(lèi)似于納米二氧化硅的團(tuán)聚問(wèn)題、分散均勻問(wèn)題、成本降低問(wèn)題等等需要進(jìn)一步解決。故此尋找更合理更經(jīng)濟(jì)的制備納米二氧化硅的方法對(duì)于科技的發(fā)展和應(yīng)用價(jià)值的提高有著重要的意義。人們雖然在很多領(lǐng)域開(kāi)始應(yīng)用納米二氧化硅，但是由于其性質(zhì)、純度等特性其應(yīng)用領(lǐng)域的開(kāi)放還會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。總之，在納米二氧化硅研究方面我國(guó)科學(xué)家已取得很大進(jìn)展和成果，根據(jù)其特性也將在未來(lái)的科技發(fā)展中得到更好的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)。