納米二氧化硅的基本性質及其制備應用簡介

1. 納米二氧化硅的性質

1.1 納米二氧化硅的物理性質

工業(yè)用SiO2稱作白炭黑，質量較輕，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)呈三維鏈狀結構，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性質

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。

1.3 納米二氧化硅的光學性質

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%。

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、微乳液反應法、共沸蒸餾法及超重力反應法等。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、粒度分布均勻、無粘結、產量高、可連續(xù)生產及應用廣泛等優(yōu)點。但是其缺點也很明顯：原料昂貴，能耗高，技術復雜，設備要求高。

2.2 沉淀法

目前，沉淀法制備二氧化硅技術包括以下幾類：

（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，沉降物經分離、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，再轉變?yōu)槟z顆粒，經干燥、熱水洗滌、再干燥，鍛燒制得二氧化硅；（化學沉淀法）

（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。

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

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，為無定形結構。由于反應在超重力環(huán)境中進行，所以，傳質過程和微觀混合過程得到了極大強化，大大縮短了反應時間。

.3 水熱合成法

水熱反應是指是高溫高壓下，在水溶液或蒸汽等流體中進行有關化學反應。利用水熱反應制備粉體是指利用此種方法為各種前驅物的反應和結晶提供了一個常壓條件下無法得到的特殊的物理化學環(huán)境。粉體的形成經歷溶解和結晶過程。該法的特點是粒子純度高、分散性好、晶型好且大小可控，但是對設備要求高，操作復雜，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. 納米二氧化硅的應用

3.1 在陶瓷制品中的應用

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 在橡膠制品中的應用

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

（1）制造膠輥。如用于復印機或激光打印機的半導電性膠輥，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改性輪胎側面膠生產彩色輪胎。

（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狀結構，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，很關鍵的一個因素就是彩色噴墨打印紙的質量，而彩色噴墨打印紙的質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。這些二氧化硅的結構和性能對吸墨涂層的質量有決定性的影響。二氧化硅的作用是在涂層中形成含有大量微孔的網絡,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量水平。