纳米氧化硅材料调研报告

纳米氧化硅材料

调研报告

纳米氧化硅材料研究

前言

纳米氧化硅（纳米白炭黑）作为国内最早实现规模化生产的纳米材料，具有诸多常规材料所不具备的奇异特性，因而受到了科技界与企业界的广泛关注。纳米氧化硅为具有颗粒尺寸小、微孔多、比表面积大、表面羟基含量高、紫外线、可见光及红外线反射能力强等特点。特别是随着产品表面处理工艺的完善，纳米颗粒的软团聚程度明显降低，与有机高分子材料的相容性好，极大地拓宽了产品的应用领域。

目录

一、纳米氧化硅的性质 (1)

二、纳米二氧化硅的制备 (2)

三、纳米材料的应用 (6)

四、纳米氧化硅的局限与危害 (11)

五、总结 (12)

六、参考文献 (13)

一、纳米氧化硅的性质

纳米氧化硅的粒径只有几十纳米具有很高的硬度和很好的稳定性，其熔、沸点也很高，具有良好的化学惰性和热力稳定性。

经透射电子显微镜观测，纳米氧化硅的原始颗粒尺寸平均为10nm 左右；经动态激光粒度分析仪检测，纳米氧化硅颗粒粒径集中在10-20nm之间，分布范围很窄；经BET法测试分析，纳米氧化硅的比表面积高达640m²/g（即1克纳米粉体摊开后的表面积近似于1亩地大小），其表面存在大量的不饱和残键及不同键合状态的羟基，因表面欠氧而偏离了稳态的硅氧结构，所以该材料具有高反应活性。

纳米氧化硅的产品为人工合成物无定形白色流动性粉末，具有各种比表面积和容积严格的粒度分布。本产品是一种白色、松散、无定形、无毒、无味、无嗅，无污染的非金属氧化物。其原生粒径介于7～80nm之间，比表面积一般大于100m²／g。由于其纳米效应，在材料中表现出卓越的补强、增稠、触变、绝缘、消光、防流挂等性质，因而广泛的应用于橡胶、塑料、涂料、胶粘剂、密封胶等高分子工业领域。例如：

(1)陶瓷领域：可以提高陶瓷制品的韧性、光洁度；

(2)人造莫来石：具有高的导热特性和良好的力学性能，是电子工业封装材料的最佳原材料之一；

(3)橡胶改性：通过控制SiO₂的颗粒尺寸，以制备抗紫外辐射的橡胶、红外反射橡胶、高绝缘性橡胶等；

(4)粘结剂：纳米SiO₂小颗粒形成网络结构，抑制胶体流动，固化速率快，提高粘结效果，同时增加了胶的密封特性；

(5)涂料：利用纳米SiO₂透明性和对紫外光的吸收特性；

(6)功能纤维添加剂：制造红外屏蔽人造纤维、抗紫外线辐照人造纤维、高介电绝缘性能优越的纤维等；

(7)塑料改性：用作塑料的补强剂，使塑料变得很致密，提高了薄膜的透明度、强度和韧性，大大提高防水性能；

(8)抗油漆老化添加剂：提高各类油漆的抗老化性能和光洁度；

(9)高级研磨介质：制成抛光液用于硅片等电子材料表面研磨或抛光。

在光学特性方面，纳米氧化硅对紫外光和可见光都呈现较高的反射特性，这明显区别于其他纳米材料的吸收特性。其对紫外短波（200—280nm）的反射率达70%～80%；对紫外中长波（280—400nm）的反射率达80～85%；对可见光（400nm—800nm）的反射率高达85%以上；对800—1350nm波段的近红外线的反射率也达70%以上。采用比表面和孔隙率分析仪对纳米氧化硅进行检测发现，其表面含有许多纳米级微孔，孔径集中在0.5-1nm之间，孔隙率高达60%以上。

二、纳米二氧化硅的制备

制备方法：

1.燃烧法

燃烧法又叫干法或气相法，即无机硅或有机硅的氯化物水解法。制备过程为：将精制的氢气、空气和硅化物蒸气按一定比例投入水解炉进行高温（1000～1200℃）水解，生产二氧化硅气溶胶，经聚集器收集二氧化硅纳米级粒子。其化学反应式如下：

SiCl₄ + 2H₂ + O₂→ SiO₂ + HCl

2CH₃SiCl₃ + 5O₂ + 2H₂→ 2SiO₂ + 6HCl + 2CO₂ + 2H₂O

气相法工艺生产的纳米SiO₂又叫SiO₂气凝胶，物化性能好，粒子大小、比表面积、表面活性等重要性质都很理想。SiO₂气凝胶密度低，空隙率最高可达98%，其独特的纳米介孔结构使其具有许多优异的性能，如热导率低，声速低等。一般制备SiO₂气凝胶多采用超临界干燥工艺，由于超临界干燥在高于液体的临界温度和临界气压下去除湿凝胶中空隙液体，因而可以减小毛细管压力的影响，避免凝胶收缩和破碎发生。然而，超临界干燥需要用到高压釜，工艺复杂、原料

昂贵、成本高,设备要求高,产量低,还有一定的危险性。为尽快实现SiO₂气凝胶的大规模生产及广泛的实际应用，研究SiO₂气凝胶的常压干燥技术非常必要。Schwertfeger,Lee和赵大方等先后用三甲基氯硅烷/六甲基二硅醚和异丙醇/TMCS/己烷溶液处理水凝胶，使溶剂交换_表面改性一步完成，在一定程度上减小了多步溶剂交换存在的耗时、成本高等问题。在此基础上，大连理工大学的史非等尝试了一种新的改性工艺，即用乙醇/TMCS/庚烷溶液对SiO₂气凝胶进行改性处理，结果更有利于获得大块的低密度SiO₂气凝胶。

2.沉淀法

沉淀法也叫湿法，是由可溶性硅酸盐以酸分解，制得不溶性的SiO₂。其化学反应式为：

CaSiO₃ + 2HCl → CaCl ₂ + SiO ₂ + 2H₂O

沉淀法生产工艺，其产量高，工艺简单，易形成规模生产，但产品质量较气相法差。河北理工大学的张庆军等通过改进工艺、增加技术环节，仍用本法制备了粒径小（平均粒径为35nm）、大比表面积（表面活性能为35.566kJ/mol）、高稳定性的纳米SiO₂。李佳伦等改良沉淀法后，生产的纳米SiO₂可控制在15~20nm范围内，含量高达99.9%，物化性能超过国内同类产品，并且工艺流程短，原料价廉易得，设备数量少，投资少，投产快等。

沉淀法是将反应物溶液与其它辅助剂混合,然后在混合溶液中加入酸化剂沉淀, 生成的沉淀再经干燥与煅烧得到纳米二氧化硅。此法因其工艺简单、原料来源广泛而得到广泛地研究与应用, 但其产品性状难以控制的问题尚没得到较好的解决, 所以目前对此法的研究重点多为将其它控制手段与沉淀法结合, 加强对反应及沉淀过程的控制, 使产品的性状得到改善。如何清玉等将沉淀过程置于超重力反应器中, 利用比地球重力大数百倍至千倍的超重力环境, 强化微观混合和传质过程, 可使反应时间大大缩短, 使制得的产品粒径小、粒度分布窄。此外, 亦可利用超声波等分散手段, 使沉淀过程得到控制, 从而防止颗粒团聚, 使产品性状得到改善。

3.溶胶-凝胶法

此法一般以硅酸盐或硅酸酯为前驱物溶于溶剂中形成均匀溶液, 然后调节pH值, 使前驱物水解聚合形成溶胶。随着水解的进行, 水