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。 納米二氧化硅的特性及其研究進(jìn)展 敖善世 2013326602046 摘要：納米SiO2是有硅或有機(jī)硅的氯化物高溫水解生成表面帶有羥基的超微細(xì)粉末，粒徑小于10nm，通常為20~60nm，化學(xué)純度高，分散性好，比表面積大。在化學(xué)工業(yè)中又稱為白炭黑，是目前世界上大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)量高的一種納米粉體材料。納米二氧化硅無毒、無味、無污染，具有表面能高及其吸附能力強(qiáng)等特異性優(yōu)點(diǎn), 是優(yōu)質(zhì)的穩(wěn)定劑和融合劑.在電子、光學(xué)、生化科學(xué)等都有著廣泛的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞： 納米二氧化硅； 性質(zhì)； 制備； 應(yīng)用 一、納米二氧化硅的性質(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(jié)構(gòu)呈絮狀或網(wǎng)狀的準(zhǔn)顆粒結(jié)構(gòu)，為球形.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490nm 以內(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。 納米二氧化硅的小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)可以產(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。 二氧化硅不但具有粒徑小、化學(xué)純度高、分散性好等特異性優(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)。 二、 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(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。 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(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。 干法的反應(yīng)式為: SiCl4+2H2+02→Si02+4HCl 2CH3SiCl3+502+2H2→2Si02+6HCl+2C02+2H20 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,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． 濕法制備納米二氧化硅 濕法制備納米SiO2 一般分為沉淀法]、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。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。 三、 納米二氧化硅的改性 作為新型無機(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)改性兩種。 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? 1．熱處理改性 作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(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。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．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。 四、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、分散性好等特異性優(yōu)勢(shì)，使得其成為了最有發(fā)展前景的新型無機(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，外形為白色無定型粉末，無毒、無味、無污染。它具有光學(xué)性能、抗老化性、耐化學(xué)腐蝕等化學(xué)特性.而且其具有粒徑小、化學(xué)純度高、分散性好等特異性優(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)。 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。無毒、無味、無污染.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。 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)過熱處理后的納米二氧化硅光纖材料對(duì)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(yīng)用前景.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?，其使用壽命更長，發(fā)光的效率也更高。 3. 納米二氧化硅應(yīng)用到橡膠方面 橡膠本身是一種強(qiáng)伸縮性彈性體，但綜合性能并不怎么好，及時(shí)現(xiàn)在的工業(yè)生產(chǎn)中也要添加很多的輔助制劑對(duì)其勉強(qiáng)的改性，但是綜合強(qiáng)度還是不很高，而且品位檔次也一直上不去。而如果用納米二氧化硅作為補(bǔ)強(qiáng)劑即在普通的橡膠中添加少量的納米二氧化硅粉體，產(chǎn)品的強(qiáng)度，耐磨性和抗老化性等性能均達(dá)到或者超過傳統(tǒng)工業(yè)的高檔橡膠制品，而且還能夠生產(chǎn)出色彩新穎，性能優(yōu)異的新一代輪胎制品，并且可以保證長期的不褪色不老化等一些優(yōu)異的性能。在不久的將來有望實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)汽車，摩托車輪胎彩色化。 4. 納米二氧化硅在涂料中的應(yīng)用 我國是涂料的生產(chǎn)和消耗的大國，但目前國內(nèi)所生產(chǎn)的涂料大多存在著性能不足、致癌物質(zhì)含量高等一系列問題，從而使每年都要在國外進(jìn)口大量的價(jià)格昂貴的稍微高檔一點(diǎn)的涂料。 納米二氧化硅具有性能比表面積大，所以在納米二氧化硅涂料當(dāng)中，賦予了涂料防結(jié)塊、防流掛、消光、增稠等功能，在涂料方面的成功應(yīng)用，一改過去傳統(tǒng)涂料的各方面的不足，使過去的傳統(tǒng)的涂料工業(yè)發(fā)生了質(zhì)得飛躍，也脫了對(duì)國外涂料的長期進(jìn)口的依賴，也能夠很好地促進(jìn)國內(nèi)企業(yè)得到長足的發(fā)展。 5. 納米二氧化硅在化妝品的應(yīng)用 納米二氧化硅對(duì)紫外線具有發(fā)射作用屬于無機(jī)成分，容易很好的融入到化妝品的其他的性質(zhì)，且是很好地融合而不會(huì)產(chǎn)生任何的排斥，而且本身無毒、無味和白色粉體二可以簡(jiǎn)單地著色，在開發(fā)抗紫外線的高檔化妝品方面有著重要的作用，而且是一直的所有高檔防紫外線化妝品的開發(fā)者一直很青睞的重要原料。目前納米二氧化硅在染發(fā)焗油、焗油膏好防紫外線霜等產(chǎn)品中得到了很好地應(yīng)用，而且是該類產(chǎn)品的性質(zhì)得到了很好地而提高，而且價(jià)格也不會(huì)特別的昂貴。 6. 納米二氧化硅作為藥物載體 與傳統(tǒng)的藥物載體如脂質(zhì)體、乳劑、聚合物納米粒等相比, 無機(jī)載體由于其物理穩(wěn)定性好、粒子大小及形態(tài)控制簡(jiǎn)單、易于表面功能化等方面的優(yōu)勢(shì), 加上無機(jī)材料本身具有的獨(dú)特的光學(xué)、磁學(xué)、電學(xué)及物理學(xué)性能, 顯示出其在醫(yī)藥領(lǐng)域巨大的應(yīng)用前景。許多不同結(jié)構(gòu)特性的無機(jī)材料如羥基磷灰石, 金屬納米粒(金、銀、鉑)，四氧化三鐵,二氧化硅, 量子點(diǎn)等在藥物傳遞中的應(yīng)用均受到廣泛的關(guān)注與重視。其中, 納米多孔二氧化硅材料如介孔二氧化硅、二氧化硅氣凝(aerogel)及干凝膠(xerogel)等, 由于其良好的生物相容性、較高的孔隙率、較大的比表面積及較好的穩(wěn)定性,作為藥物載體的研究成為近幾年研究的熱點(diǎn)。納米多孔二氧化硅作為藥物載體, 借助于其納米孔道結(jié)構(gòu)、形貌或孔道的控制及表面功能化修飾, 可以實(shí)現(xiàn)藥物的速釋、緩釋及pH或溫度敏感釋放。納米多孔二氧化硅作為藥物載體具有廣闊的應(yīng)用前景。 7. 納米二氧化硅在顏料方面的應(yīng)用 有機(jī)顏料由于具有品種多樣、 色澤鮮艷等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于涂料、 油墨等工業(yè). 但相對(duì)于無 機(jī)顏料 , 也存在著耐候性和分散性差等缺點(diǎn) 。 近年來人們采用各種方法對(duì)其缺點(diǎn)進(jìn)行改性。如 Le， lu 等利用細(xì)乳液聚合的方法將有機(jī)顏料酞菁藍(lán)包覆在聚苯乙烯乳膠粒中，以提高其在水性體系中的分 散性。 由于二氧化硅的惰性和高耐久性 ，近年來被越來越多地用于改性有機(jī)顏料中， 如 Fei等。將萘 酚紅有機(jī)顏料接枝到無機(jī)二氧化硅核上, 從而提高其耐熱性、 著色力以及分散穩(wěn)定性。以青粒子為芯材、 以 Na2SiO3與 NH4Cl水解產(chǎn)物硅膠為膜材 , 將群青顏料微膠囊化使其耐酸性得到明顯 的改善。利用硅酸鈉水解的方法將硅酸鈉水解只能形成非常薄的二氧化硅層, 而且重復(fù)性較差。另外， 這種二氧化硅層太薄，不足以提高顏料的耐候性。自組裝技術(shù)由于具有容易控制殼的化學(xué)成分、殼的厚度及覆蓋率而廣泛用于制備核殼結(jié)構(gòu)材料。 由此可以看出，納米二氧化硅將來有著很廣闊的應(yīng)用前景。 參考文獻(xiàn)： [1].儲(chǔ)艷蘭,張凱.納米二氧化硅的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J]. 赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)（ 自然科學(xué)版）,2013(3). 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