纳米SiO2的制备改性及在丙烯酸酯聚合物中的应用-修改1

海南大学材料与化工学院

题目：纳米SiO2的制备改性及在丙烯酸酯聚合物中的应用

姓名：王芳志

学号：20080402B066

专业：高分子材料与工程

班级：08高分子材料与工程（2）

指导教师：赵富春

时间：2011 年10月

纳米SiO2的制备改性及在丙烯酸酯聚合物

中的应用

王芳志20080402B066

摘要

纳米SiO2是重要的无机固体材料，对于诸多行业产品的提档升级具有重要意义。本文介绍了纳米SiO2的一般制备方法，对各种制法的优缺点进行了评述；阐明了改性机理，列举了常见的改性方法；对纳米二氧化硅在丙烯酸酯聚合物中的应用作了简要的概括，并叙述了其在应用中所表现出来的优异性，奇异的特性。

关键词：纳米二氧化硅，制备方法，改性，应用

引言

是无定型白色粉末，是一种无毒，无味，无污染的非金属材纳米SiO

2

料，其分子状态呈三维链状结构（或称三维网状结构、三维硅石结构等），是一种絮状和网状的准颗粒结构，为球形，这种结果使它具有独特的性质。

纳米Si0

是目前应用最广泛的纳米材料之一，由于其具有高强度、高

2

可刚性、能吸收紫外线等特点，业已成为材料科学研究的热点。纳米Si0

2

应用于催化、污染治理、生物医学领域、电池、电极、新能源、环境友好材料、高分子复合材料、重金属检测、微反应器、聚合物成型加工等领域。纳米二氧化硅在制备上有干法和湿法等；在改性方面有溶胶-凝胶法、气相法、原位接枝、高聚物改性、硅烷偶联剂等对其的表面改性等。它作为一种新型的高性能纳米材料，具有十分重要的应用意义，在一些聚合物中的

应用，表现出优良的性能。特别是近年来，纳米二氧化硅在丙烯酸酯聚合

物中的应用研究引起了业界的广泛关注。

1 纳米二氧化硅的制备

工业用SiO

2

称作白炭黑，是一种超微细粉体，质轻，原始粒径0.3um 以下，相对密度为2.319-2.653，熔点>1750°C。其性能特点如下，吸潮后形成聚合细颗粒纳米二氧化硅具有抗紫外线老化和热老化的性能，同时其小尺寸效应和宏观量子隧道效应使其产生淤渗作用，可深入到高分子链的不饱和键附近，并和不饱和键的电子云发生作用，改善高分子材料的热，光稳定性和化学稳定性，从而提高产品的抗老化性和耐化学性；在高温下具有强度，韧度和稳定性高的特点，分散在材料中与高分子链结合形成网状结构，从而提高材料的强度，韧度等基本性能。

纳米二氧化硅的三维硅石结构，大表面积，不饱和的配位数，使其对色素离子具有极强的吸附作用，可降低因紫外线照射而造成的色素衰减。

在生产纳米SiO

2

的方法中，可分位干法和湿法两种,其中干法包括气相法和

电弧法，湿法分沉淀法和凝胶法。不同形态的SiO

2

有不同的制备方法，如

有单分散SiO

2、SiO

2

微球、油溶性球等的制备。以下简要介绍的一些制备

方法。

1.1气相法

气相法多以四氯化硅为原料，采用四氯化硅气体在氢氧气流高温下水解制得烟雾状的二氧化硅( 该法优点是产品纯度高、分散度高、粒子细而形成球形，表面羟基少，因而具有优异的补强性能)。但原料昂贵，能耗高，技术复杂，设备要求高，这些限制了产品应用广度。其主要反应方程式如下所示：

H 2+O

2

→2H

2

O

SiCl

4+2H

2

O→SiO

2

+4HCl

2H

2+O

2

+SiCl

4

→SiO

2

+4HCl

1.2 沉淀法

沉淀法在原料的选择、制备的工艺与设备的要求上，与气相法相比较，都具有明显的优势。沉淀法是硅酸盐通过酸化获得疏松、细分散的、以絮状结构沉淀出来的SiO2晶体，其所选用的原料易得，生产流程简单，能耗低，设备投资少。沉淀法所生产的产品质量不如采用气相法和凝胶法的产品好，但该法为目前主要的生产方法。

NaSiO

3+HCl → H

2

SiO

3

+NaCl

H 2SiO

3

+SiO

2

+H

2

O

吴力立[1]采用此法通过原位生成改性技术制备出在高分子材料中容易

分散纳米SiO

2

。他是以硅酸钠为原材料，在硅烷偶联改性剂的作用下，得到颗粒粒径在10--15nm和粒径分布窄(10nm占12．5％；15nm占87．5％)

纳米Si0

2

分散液。纳米颗粒在介质中分散度高、稳定性好。并且发现纳米

Si0

2

的产率、粒径及分布与反应工艺条件密切相关。

1.3 凝胶法

凝胶法是加入酸使碱度降低从而诱发硅酸根的聚合反应，使体系中以胶态粒子形式存在的高聚态硅酸根离子粒径不断增大，形成具有乳光特征的硅溶胶，成溶胶后，随着体系PH值的进一步降低，吸附OH-带负电荷的

SiO

2胶粒的电动电位也相应降低，胶粒稳定性减小，SiO

2

胶粒便通过表面吸

附的水合Na＋的桥联作用而凝聚形成硅凝胶，去水即得纳米粉。该法原料与沉淀法相同，只是不直接生成沉淀，而是形成凝胶，然后干燥脱水，产品特性类似于干法产品，价格又比干法产品便宜，但工艺较沉淀法复杂，成本亦高，故而凝胶法应用较少。

王鹏程[2]等用无水乙醇、甲苯、氨水(质量分数为25％)，以上均为分析纯；正硅酸乙酯(TEOS)、聚乙二醇、癸二酸、氢氧化钠，以上均为化学

纯；w(H

2SO

4

)=75％(自制)等为原材料，采用凝胶法制得单分散纳米SiO

2

。

其操作方法如下，取正硅酸乙酯与一定量的乙醇溶液混合后并置于60℃的

恒温水浴中，在连续搅拌条件下将氨水滴入混合液中，使之均匀混合并反应，待反应完毕后，将产物SiO

2

醇洗，然后用阳离子表面活性剂进行处理，

再经80℃干燥，即得到所需要的SiO

2

纳米微粒。以正硅酸乙酯和氨水为原