纳米与微米二氧化硅的关系

纳米材料被众多科学家视为21世纪最有前途购材料之一，西方各发达国家纷纷把纳米级材料的研究、开发列入本国的高技术发展计划之中。纳米SiO2作为纳米级材料中的重要一员,已引起国内研究单位及企业的极大兴趣，常有相关的论文见报。纳米SiO2也渐渐成为热门话题，但值得关注的是，传统沉淀法工艺生产的白炭黑产品能否成为纳米SiO2中的一个品种。传统沉淀法特指以硫酸、盐酸、CO2与水玻璃为基本原料生产白炭黑的生产工艺

1 传统沉淀法白炭黑不是纳米材料

如果仅根据白炭黑透射电镜照片显示其粒径为15—20nm，即将其视为纳米材料，显然是错误的。

1)传统沉淀法白炭黑在使用透射电镜测定其粒径时，首先要对样品进行预处理，一般是在分散液内采用超声波技术使之分散。因此，测得的粒径是强制分散后的粒径，通常称之为原始粒子，而不代表成品粒径。

2)传统沉淀法白炭黑在橡胶中经混炼后，并不能使沉淀法白炭黑分散成100n m以下的粒子，据国外研究表明，在胶料中分散后的白炭黑粒子，也就是真正与胶料交联起补强作用的粒子粒径在250—500nm的范围内。

3)传统沉淀法白炭黑的原始粒子虽为15—20nm，但在表面经基作用下已形成聚集体颗粒，因而无法表现出纳米材料应有的特性。

2 传统沉淀法白炭黑粒子生成过程

在传统沉淀法白炭黑生产过程中，可以将其分为这么几个过程。在沉淀反应时水玻璃与酸反应，最初生成硅酸，然后自聚成硅酸微粒子。这个过程形成的粒子我们称之为原始粒子，或一次粒子、也就是透射电镜可以看到的SiO2粒子，它的确是纳米态粒子。随后，这些

聚硅酸微粒渐渐长大形成链状水合硅酸聚集体、这些聚集体我们可以称之为二次粒子。在过滤、洗涤后，滤饼打浆，送人干燥设备中脱水，水合硅酸聚集体变成SiO2颗粒产品，我们称之为三次粒子。如果将沉淀法白炭黑产品再次粉碎，所得到的白炭黑产品应称之为四次粒子了。

一次粒子大小与合成工艺路线及反应条件有关，实质是硅酸聚合度不同。一般沉淀法白炭黑产品一次粒子粒径均在15—50nm范围内，但在胶料中表现出高透明性的白炭黑产品，一次粒子在20nm以下。一次粒子愈小，被补强的胶料透明性愈好，补强性能也好，但由于这样的产品对硫化促进剂吸附性强，有延迟胶料硫化的作用。若胶料配方不调整，所得到的胶片透明性好，但补强性能反而不高，永久变形增加。

二次粒子大小与合成工艺路线及反应条件和搅拌状态有关。主要取决对聚集体支链大小的控制，支链结构多而发达者，其产品吸油值大、反之则吸油值小。白炭黑作为橡胶补强利时，若吸油值太高，在橡胶中均匀分散较困难，因为必须将白炭黑的支链结构破坏，才能使它在胶料中分散均匀。但在某些用途上，高吸油值又是非常必需的。

三次粒子系干燥脱水时产生的团聚颗粒。其大小不仅与合成工艺有关，在工艺一定的情况下，基本由干燥设备选型决定。例如，某种工艺产品，静态干燥可能是不规则硬块，压力式喷雾就变成颗粒状，离心喷雾干燥则为细小颗粒状，而闪蒸干燥就是粉状产品了。

显然，如果采用喷雾或闪蒸干燥，所得产品在多数用途上可以直接使用。但在某些特殊用途情况下．还需要再增加一道粉碎工序。所得粒子就是四次粒子。四次粒子大小主要与粉碎设备选型有关，机械粉碎可以使粒子在45um左右，而气流粉碎则可得到微米级粒子，

。而一次粒子粒径必须经透射电镜测定。在10万倍放大倍数下即可得到清晰的沉淀法SiO2一次粒子照片。可见，沉淀法SiO2在生产过程各个阶段的粒子大小，在一定范围内是可以根据用途需要进行调节的。但由于生产过程中存在二次粒子形成及干燥脱水的团聚问题(生成三次粒子)，

故现有传统沉淀法生产工艺是不可能得到纳米态SiO2微粒的。即使采用先进的超细粉碎手段，也只能得到微米级的SiO2粉体。但是，如果在沉淀SiO2合成过程中加入一定的改性物质，使二次粒子支链变短、变松散，并选择合适的干燥形式尽可能减少团聚，再借助超细粉碎设备，就可能得到更接近纳米SiO2的超细SiO2粉体。这样的准纳米超细SiO2粉体会在某些方面表现出传统沉淀法SiO2产品不具备的一些性能，但距真正的纳米态SiO2粒子应有的性能仍会有很大差距。如小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应等。