納米SiO2的簡(jiǎn)單了解和應(yīng)用

王 凱

(福建省南平市順昌縣金橋?qū)W校，福建 南平 353200)

納米SiO2是納米材料中的重要一員，為無定形白色粉末，是一種無毒、無味、無污染的非金屬材料，微觀結(jié)構(gòu)呈絮狀和網(wǎng)狀的準(zhǔn)顆粒結(jié)構(gòu)，為球形。具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的商業(yè)價(jià)值，并為其他相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展提供了新材料基礎(chǔ)和技術(shù)保證，享有“工業(yè)味精”，“材料科學(xué)的原點(diǎn)”之美譽(yù)。自問世以來，已成為當(dāng)今世界材料學(xué)中最能適應(yīng)時(shí)代要求和發(fā)展最快的品種之一。

一、 納米SiO2簡(jiǎn)介

（一）納米SiO2的微觀結(jié)構(gòu)

納米SiO2的分子結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)三維鏈狀結(jié)構(gòu)（或稱三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，三維硅石結(jié)構(gòu)等），表面存在不飽和的殘鍵和不同鍵合狀態(tài)的羥基，如圖所示。

（二）納米SiO2的性能

1.光學(xué)性能

納米SiO2顆粒的小尺寸效應(yīng)使其具有獨(dú)特的光學(xué)性能對(duì)紫外、紅外和可見光具有極強(qiáng)的反射特性，對(duì)波長(zhǎng)在280-300 nm的紫外光反射率達(dá)80 %以上；對(duì)波長(zhǎng)在300-800 nm的可見光反射率達(dá)85 %以上；對(duì)波長(zhǎng)在800-1300 nm的紅外光反射率達(dá)80 %以上。

2.化學(xué)性能

納米SiO2顆粒具有體積效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)，使其產(chǎn)生游滲功能，可深入到高分子化合物兀鍵的附近與其電子云發(fā)生重疊，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而大幅度提高高分子材料的力學(xué)強(qiáng)度、韌性、耐磨性和耐老化性等性能。

二、 納米SiO2顆粒的制備技術(shù)

納米SiO2顆粒制備方法分為物理法和化學(xué)法。物理法一般指機(jī)械粉碎法，利用超氣流粉碎機(jī)或高能球磨機(jī)對(duì)納米SiO2的聚集體進(jìn)行粉碎，可獲得粒徑為1-5 μm的超細(xì)粉體?；瘜W(xué)法包括化學(xué)氣相法(CVD)、化學(xué)沉淀法、溶膠一凝膠法(Sol-Gel)和微乳法等。

（一）溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法就是將金屬醇鹽溶解在有機(jī)溶劑中，通過水解聚合反應(yīng)形成均勻的溶膠(Sol)，進(jìn)一步反應(yīng)并失去大部分有機(jī)溶劑轉(zhuǎn)化成凝膠(Gel)，再通過熱處理，制備成膜的化學(xué)方法。納米SiO2的顆粒粒徑易受反應(yīng)物的影響，如水和NH3H20的濃度、硅酸酷的類型、不同的醇、催化劑的種類及不同的溫度等，對(duì)這些影響因素的調(diào)控，可以獲得各類結(jié)構(gòu)的納米SiO2。該制備方法反應(yīng)過程如下:

（二）以稻殼為原料制備納米SiO2顆粒

稻殼中制取的白碳黑的質(zhì)量接近于氣相法所制備的白碳黑，遠(yuǎn)高于化學(xué)沉淀法所得到的白碳黑；制備成本卻遠(yuǎn)低于氣相法，也低于沉淀法。以稻殼原料制備納米SiO2顆粒，最常用的方法之一是熱解稻殼，如侯貴華等人將經(jīng)鹽酸預(yù)處理過的稻殼，放入馬弗爐中進(jìn)行熱解，得到孔狀結(jié)構(gòu)的納米SiO2顆粒，純度為99 %以上，粒徑小于50 μm的顆粒約占90%。

到目前為止，已經(jīng)有了很多關(guān)于利用稻殼制備納米SiO2的報(bào)道，但制備出的納米SiO2顆粒發(fā)生了嚴(yán)重的團(tuán)聚，使之變?yōu)閹孜⒚字潦畮孜⒚椎拇箢w粒，且顆粒大小不均勻。所以利用稻殼為原料制備具有分散性好的，顆粒均勻的納米SiO2，需待進(jìn)一步優(yōu)化制備方法，改善納米顆粒發(fā)生緊密團(tuán)聚的現(xiàn)象。

（三）微乳法制備納米SiO2顆粒

利用反相微乳法制備納米SiO2顆粒，反應(yīng)物大多是硅酸酷，當(dāng)硅酸酷透過膠團(tuán)界面膜進(jìn)入水核中時(shí)，會(huì)發(fā)生水解生成金屬氧化物或復(fù)合氧化物。常用的硅酸酷是正硅酸乙酷(TEOS)。也有學(xué)者將堿金屬硅酸鹽的反膠束微乳液加入到無機(jī)酸中，制備出的二氧化硅球形顆粒的粒徑在5-100 nm，顆粒粒徑均勻，比表面積高。所用表面活性劑很多，目前主要集中在非離子型表面活性劑系列，如OP、NP、Triton X系列等。

三、納米SiO2的應(yīng)用

（一）樹脂基復(fù)合材料的改性

將分散好的納米SiO2顆粒均勻地加到樹脂材料中，可以提高材料強(qiáng)度和延伸率，提高耐磨性和改善材料表面的光潔度，提高抗老化性能，從而改善樹脂基復(fù)合材料性能的目的。

（二）新型塑料添加劑

納米SiO2對(duì)塑料不僅具有補(bǔ)強(qiáng)作用，且具有許多新的特性，如半透明性的塑料薄膜，添加納米SiO2不但提高了薄膜的透明度、強(qiáng)度、韌性，更重要的是防水性能大大提高。

（三）功能纖維添加劑

納米SiO2具有對(duì)紫外光、可見光和近紅外的高反射率的光學(xué)特性，可作為人造纖維的制造添加劑，主要應(yīng)用于紅外屏蔽人造纖維、抗紫外線輻射人造纖維、高介電絕緣纖維和靜電屏蔽纖維等。

（四）新型橡膠材料添加劑

傳統(tǒng)橡膠生產(chǎn)過程中通常在膠料中加入碳黑來提高強(qiáng)度、耐磨性和抗老化性，但制品均為黑色，并且檔次較低。納米SiO2不僅具有補(bǔ)強(qiáng)的作用，而且使常規(guī)橡膠具備一些新的功能特性，既可抗紫外輻射，又可防紅外反射，還可以利用SiO2的高介電特性制成絕緣性能好的橡膠。

（五）陶瓷中添加納米SiO2

在現(xiàn)代氧化物陶瓷生產(chǎn)中，納米SiO2代替納米A1203添加到陶瓷里，效果比添加A1203更理想，不但大大降低了陶瓷制品的脆性，其韌性也提高幾倍至幾十倍，在陶瓷制品表面噴涂薄薄一層納米SiO2光潔度可明顯加強(qiáng)。納米SiO2的價(jià)格，僅是納米A1203的二分之一，又可有效地降低材料成本。

（六）密封膠、粘結(jié)劑的改性劑

密封膠和粘結(jié)劑要求產(chǎn)品粘度、流動(dòng)性、固化速度均為最佳條件，采用納米材料作為產(chǎn)品的添加劑，納米SiO2是首選材料。在納米SiO2的表面包覆一層有機(jī)材料，使之具有親水特性，添加到密封膠中就很快的形成一種硅石結(jié)構(gòu)，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，抑制膠體流動(dòng)，固化速率快，提高粘結(jié)效果。由于顆粒尺寸小，使膠的密封特性增加。

結(jié)束語

納米技術(shù)是一門正迅速崛起的新技術(shù)，起源于上個(gè)世紀(jì)80年代末期。1990年7月，在美國巴爾的摩召開了國際首屆納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議(Nano-ST)。納米科技研究范圍是過去人類很少涉及的非宏觀、非微觀的中間領(lǐng)域(1-l00 nm)，它的研究開辟了人類認(rèn)識(shí)世界的新層次。目前納米材料與技術(shù)的發(fā)展已得到了世界各國政府的高度重視。