納米二氧化硅的應用及其發(fā)展

　　納米二氧化硅屬于無機非金屬納米材料，其粒徑大小在1-100nm之間，具有吸附性強、可塑性良好、同時具有高磁阻性和低熱導性等特性，已被廣泛應用于電子冶金、航空航天以及醫(yī)藥衛(wèi)生行業(yè)。且因其粒徑小、化學純度高、分散性好等特異性優(yōu)勢，使得其成為了最有發(fā)展前景的新型無機材料，為很多相關行業(yè)的發(fā)展提供了優(yōu)質(zhì)材料基礎以及技術保障。其所具有的廣闊的商業(yè)前景和經(jīng)濟價值，其制備、提純、化學反應、以及性質(zhì)應用等方面已成為了科學研究的熱點。

1、納米二氧化硅的概述

      1.1　納米二氧化硅的化學性質(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定型粉末，無毒、無味、無污染的非金屬材料，其微結構呈絮狀或網(wǎng)狀的準顆粒結構，為球形。

　　納米SiO2作為納米粉體，其體積效應和量子隧道效應使得其產(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)狀結構，從而大幅度提高了高分子材料的力學強度、韌性、耐磨性和耐老化性等。因而，人們常利用納米SiO2的這些特殊結構和性能對塑料及涂料進行改性或制備有機SiO2復合材料，提高有機高分子材料的綜合性能。

      1.2　納米二氧化硅的光學性質(zhì)

　　納米SiO2作為納米粉體，其小尺寸效應和表面界面效應使得其具有與常規(guī)材料不同的光學特性。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%。

　　這種特殊的結構使它具有獨特的性質(zhì)：納米二氧化硅對波長490nm以內(nèi)的紫外線反射率高達70%～80%，將其添加在高分子材料中，可以達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和宏觀量子隧道效應使其產(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)定性和化學穩(wěn)定性，從而提高產(chǎn)品的抗老化性和耐化學性。而且其不但具有粒徑小、化學純度高、分散性好等特異性優(yōu)勢。還具有吸附性強、可塑性良好、同時具有高磁阻性和低熱導性的優(yōu)勢[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。干法制備的特點是其產(chǎn)品純度高，而且性能相對較好，但是其所需設備要求高投資成本大、 而且在生產(chǎn)實踐過程中能耗大。濕法制備應用要求較低，所需原料普遍且價格低廉，所生產(chǎn)產(chǎn)品純度雖然比干法制備的低，但經(jīng)一系列的化學反應改性后，性能與炭黑接近。無論是采用干法制備還是濕法制備我們所要達到的目的是生產(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機硅或者鹵硅烷、氧氣(或空氣)和氫氣，經(jīng)高溫反應進行制備，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：將以上有機硅化合物與空氣、氫氣進行充分混合后，在高溫情況下水解，水解完全后再進行分離，將大的凝焦顆粒分離出來，脫酸得到氣相的二氧化硅。

　　反應式為：

     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。

　　化學反應式為：

     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、無水乙醇按照計算的摩爾比充分均勻混合制成混合溶液，在攪拌的同時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。有相關研究表明正硅酸乙酯使用堿做催化劑進行水解聚合反應所制備的納米二氧化硅能在常溫下快速反應，簡單易行且所得產(chǎn)品粒徑小分布均勻[5]。

　　隨著納米二氧化硅在各個行業(yè)的廣泛應用，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。

      2.2　納米二氧化硅的改性

　　做為新型無機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，導致其與無機物配合時兼容性好，與有機物配合時表現(xiàn)差。當其與有機物混合時配合率低、難分散。為了增強其與有機物的兼容性，故對其進行表面改性。對納米二氧化硅的表面改性主要分為熱處理方法和化學改性兩種。二氧化硅的表面改性對其表面的羥基進行處理，使其發(fā)生反應以減少納米二氧化硅表面的親水基團硅醇基的量，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，與其他無機親水性物質(zhì)兼容性也會下降，與有機物的兼容性增強，混合后分散性增強。此方法的應用較為簡便且花費少經(jīng)濟。但是其對改善填充時界面的粘合性效果不好，因為經(jīng)過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]因此在實際應用中,常用含鋅化合物對納米二氧化硅處理后在進行熱處理。

      2.2.2　化學改性

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

3、納米二氧化硅的應用

　　由于納米二氧化硅具有吸附性強、可塑性良好、同時具有高磁阻性和低熱導性。已被廣泛應用于電子冶金、航空航天以及醫(yī)藥衛(wèi)生行業(yè)。而且因為其粒徑小、化學純度高、分散性好等特異性優(yōu)勢，使得其成為了最有發(fā)展前景的新型無機材料。為很多相關行業(yè)的發(fā)展提供了優(yōu)質(zhì)材料基礎以及技術保障。其微結構為球形以絮狀或網(wǎng)狀的準顆粒狀，外形為白色無定型粉末，無毒、無味、無污染。它具有光學性能、抗老化性、耐化學腐蝕等化學特性[7]。而且其具有粒徑小、化學純度高、分散性好等特異性優(yōu)勢。其還具有吸附性強、可塑性良好、同時具有高磁阻性和低熱導性的優(yōu)勢。

      3.1　納米二氧化硅應用于抗菌領域

　　納米二氧化硅具有很好的生理惰性、吸附性強、可塑性良好,抗老化性、耐化學腐蝕等化學特性。無毒、無味、無污染。

　　因此在殺菌劑制備時可用作載體。將納米抗菌粉應用于搪瓷釉料中，可生產(chǎn)出能夠高效防霉、抗菌的洗衣機。如將納米抗菌粉與內(nèi)墻涂料混合使用，可起到長久抗菌防霉功效。時代在進步，人們的健康意識不斷增強，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　納米二氧化硅應用于光學領域

　　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)過熱處理后的納米二氧化硅光纖材料對光的波長在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具有很強的紅外線反射能力與傳統(tǒng)使用的鹵素燈相比，其使用壽命更長，發(fā)光的效率也更高。

      3.3　在涂料領域

　　納米二氧化硅具有三維網(wǎng)狀結構，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)狀結構，同時增加了涂料的強度和光潔度，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)生強烈的交聯(lián)作用，同時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，使復合漆的腐蝕電位正移，陽極腐蝕電流減小約2個數(shù)量級，涂層耐腐蝕性能顯著提高。

4、總結

　　隨著社會、科技的發(fā)展，納米二氧化硅應用領域的不斷擴大，新的制備納米二氧化硅的方法日益增加。目前全球對納米二氧化硅的生產(chǎn)制備仍處于初級階段，有許多類似于納米二氧化硅的團聚問題、分散均勻問題、成本降低問題等等需要進一步解決。故此尋找更合理更經(jīng)濟的制備納米二氧化硅的方法對于科技的發(fā)展和應用價值的提高有著重要的意義。人們雖然在很多領域開始應用納米二氧化硅，但是由于其性質(zhì)、純度等特性其應用領域的開放還會進一步擴大?？傊?，在納米二氧化硅研究方面我國科學家已取得很大進展和成果，根據(jù)其特性也將在未來的科技發(fā)展中得到更好的應用和開發(fā)。