納米二氧化硅的研究現(xiàn)狀與進展

儲艷蘭，張 凱

（1.商丘師范學(xué)院 實驗室建設(shè)與實驗設(shè)備管理處；2.商丘師范學(xué) 院生命科學(xué)學(xué)院，河南 商丘 476000）

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[1]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(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(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)濟價值，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.本文通過對納米二氧化硅制備技術(shù)、制備方法、在各領(lǐng)域表現(xiàn)的優(yōu)越性和特異性的分析進一步探究其發(fā)展前景、改性機理和措施，進行了初步分析和探討，具體如下：

1 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%[2]，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.

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[3].

而且其不但具有粒徑小、化學(xué)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(dǎo)性的優(yōu)勢.

2 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(shè)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(yīng)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(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.

2.1 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(yīng)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(yīng)式為:

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(yīng)式為:

2.2 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：

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(guān)研究表明正硅酸乙酯使用堿做催化劑進行水解聚合反應(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(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.

表1 納米SiO2的主要技術(shù)指標(biāo)[6]

3 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(dǎo)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(dāng)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(xué)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(yīng)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)槭杷疄橹鱗7].

3.1 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(yīng)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.因此在實際應(yīng)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.

3.2 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(yīng),所產(chǎn)生基團具有多親油性，可以提高親和性和表面活性.

4 納米二氧化硅的應(yīng)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(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).而且因為其粒徑小、化學(xué)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(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.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(dǎo)性的優(yōu)勢.

4.1 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、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.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[8].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.

4.2 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具有很強的紅外線反射能力.與傳統(tǒng)使用的鹵素?zé)粝啾龋涫褂脡勖L，發(fā)光的效率也更高.

5 結(jié)論

隨著社會、科技的發(fā)展，納米二氧化硅應(yīng)用領(lǐng)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?qū){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(yīng)用價值的提高有著重要的意義.人們雖然在很多領(lǐng)域開始應(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)域的開放還會進一步擴大.

總之，在納米二氧化硅研究方面我國科學(xué)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(yīng)用和開發(fā).

〔1〕羅花娟,趙彥保.中空SiO2納米微球的制備與表征[J].化學(xué)研究,2010(06).

〔2〕李新勇,王玉新,鞠曉東，等.量子限域納米半導(dǎo)體上低碳烷烴的光助催化氧化 [J].渤海大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版),2006(03).

〔3〕陳麗娟.納米材料修飾電極在電化學(xué)分析中的應(yīng)用研究進展[J].化學(xué)研究,2010(05).

〔4〕韓靜香,余利娟,翟立新，等.化學(xué)沉淀法制備納米二氧化硅[J].硅酸鹽通報,2010(03).

〔5〕張淑云.無水二氧化硅的制造方法[J].無機鹽工業(yè),1993,(03).

〔6〕趙麗,余家國,程蓓，等.單分散二氧化硅球形顆粒的制備與形成機理[J].化學(xué)學(xué)報,2003(04).

〔7〕劉萍,李新勇,方寧，等.TiO2納米管的改性及光助催化性能研究[J].渤海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2006(03).

〔8〕劉新云.納米材料的應(yīng)用前景及研究進展[J].安徽化工,2002(05).