納米二氧化硅介紹和應(yīng)用

概述：

納米二氧化硅（英文名稱nano-silicon dioxide）是一種無機(jī)化工材料，分子式和結(jié)構(gòu)式為SiO2，不溶于水。由于是超細(xì)納米級(jí)，尺寸范圍在1~100nm，因此具有許多獨(dú)特的性質(zhì)，如具有對(duì)抗紫外線的光學(xué)性能，能提高其他材料抗老化、強(qiáng)度和耐化學(xué)性能。納米二氧化硅為無定型白色粉末，無毒、無味、無污染，呈絮狀和網(wǎng)狀的準(zhǔn)顆粒結(jié)構(gòu)，一般表面存在羥基和吸附水，具有粒徑小、純度高、密度低、比表面積大、分散性能好的特點(diǎn)，以及優(yōu)越的穩(wěn)定性、補(bǔ)強(qiáng)性、觸變性和優(yōu)良的光學(xué)及機(jī)械性能，廣泛用于陶瓷、橡膠、塑料、涂料、顏料及催化劑載體等領(lǐng)域。

工業(yè)用SiO2稱作白炭黑，質(zhì)量較輕，是一種超微細(xì)粉體，粒徑在0.3μm以下，相對(duì)密度為2.319～2.653，熔點(diǎn)為1750℃，暴露在空氣中吸潮后會(huì)形成聚合的細(xì)顆粒。且納米的分支狀態(tài)呈三維鏈狀結(jié)構(gòu)，表面存在不飽和殘鍵和不同鍵合狀態(tài)的羥基。 納米SiO2作為納米粉體，其體積效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)使得其產(chǎn)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而大幅度提高了高分子材料的力學(xué)強(qiáng)度、韌性、耐磨性和耐老化性等。

我國(guó)對(duì)納米材料的研究起步比較遲，直到“八五計(jì)劃”將“納米材料”列人重大基礎(chǔ)項(xiàng)目之后，這方面的研究才迅速開展起來，并取得了令人矚目的成果。1996 年納米二氧化硅成功開發(fā)來出來,成為納米材料家庭的重要一員 , 從而使我國(guó)成為繼美、英、日、德國(guó)之后 ,國(guó)際上第五個(gè)能批量生產(chǎn)此產(chǎn)品的國(guó)家。

主要用途：

納米二氧化硅的用途分非常廣泛，一般添加重量在0.5—2%，個(gè)別產(chǎn)品體系可到10%以上。對(duì)產(chǎn)品性能體現(xiàn)的關(guān)鍵是：充分分散到體系當(dāng)中。使用時(shí)根據(jù)不同的體系，預(yù)先將納米二氧化硅分散在水、丙酮、醇類或其他溶劑中，對(duì)于油性體系，可輔之以助劑做預(yù)處理。主要用在以下領(lǐng)域：

在涂料領(lǐng)域

納米SiO2具有極強(qiáng)的紫外和紅外反射特性，對(duì)紫外線有較高的屏蔽率，加入涂料可屏蔽紫外線，從而提高了外墻涂料的抗老化耐侯性和熱老化的目的，同時(shí)增加了涂料的隔熱性。納米二氧化硅具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，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(shí)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)增加了涂料的強(qiáng)度和光潔度，而且提高了顏料的懸浮性，能保持涂料的顏色長(zhǎng)期不退色。由于納米二氧化硅粒子比表面積大，能與聚合物分子產(chǎn)生強(qiáng)烈的交聯(lián)作用，同時(shí)由于納米二氧化硅尺寸較小，可以填充涂層中的孔隙 ，使涂層更加致密，大大提髙涂料的剪切力和剝離力，使涂層的附著力增大。

在粘結(jié)劑和密封膠領(lǐng)域
在粘結(jié)劑和密封膠領(lǐng)域，納米二氧化硅是用量較大、使用范圍較廣的重要產(chǎn)品。其作用機(jī)理是納米二氧化硅表面包覆層有機(jī)材料，使之具有疏水特性，將它添加到密封膠中能很快形成一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，抑制膠體流動(dòng)，固化速率加快，提高粘接效果，同時(shí)由于顆粒細(xì)小，更增加了膠的密封性。

在橡膠中應(yīng)用

作為補(bǔ)強(qiáng)劑、抗老化劑的納米二氧化硅應(yīng)用于橡膠制品，可提高橡膠制品的強(qiáng)度、提高韌性、防老化、抗磨擦著火、延長(zhǎng)壽命等功能。橡膠是一種伸縮性優(yōu)異的彈性體，但其綜合性能并不令人滿意，生產(chǎn)橡膠制品過程中通常需在膠料中加入炭黑來提高強(qiáng)度、耐磨性和抗老化性，但由于炭黑的加入使得制品均為黑色，且檔次不高。而二氧化硅在我國(guó)的問世為生產(chǎn)出色彩新穎、性能優(yōu)異的新一代橡膠制品奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。在普通橡膠中添加少量二氧化硅后，產(chǎn)品的強(qiáng)度、耐磨性和抗老化性等性能均達(dá)到或超過高檔橡膠制品，而且可以保持顏色長(zhǎng)久不變。

橡膠是二氧化硅應(yīng)用的傳統(tǒng)領(lǐng)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(yīng)用的制品種類也越來越多。另外，還可用于制造透明膠鞋底。

制造膠輥。如用于復(fù)印機(jī)或激光打印機(jī)的半導(dǎo)電性膠輥，電子攝影機(jī)連續(xù)輸送膠片的膠輥，金屬芯硅橡膠輥。

制造輪胎。最大的應(yīng)用是制造綠色輪胎，如白炭黑補(bǔ)強(qiáng)順丁橡膠用于輪胎胎面。另外，還可利用納米SiO2改性輪胎側(cè)面膠生產(chǎn)彩色輪胎。

在塑料中應(yīng)用

在塑料中加入納米二氧化硅可以提高塑料的韌性、強(qiáng)度、耐磨性、抗老化性及改善塑料的抗老化性能。如：用納米二氧化硅改性聚丙烯塑料(PP)而得到的高剛性、高韌性納米復(fù)合材料可制造汽車保險(xiǎn)杠；又如：在半透明的塑料薄膜中添加納米二氧化硅后，不但透明性、韌性、強(qiáng)度得到提高，且防水性、耐侯性能也大大增強(qiáng)；再如，將納米二氧化硅用于有機(jī)玻璃(PMMA)，可提高其強(qiáng)度、沖擊韌性、耐磨性、透光性、抗紫外線和防老化性能，塑料中加入納米二氧化硅可以提高塑料的韌性、強(qiáng)度、耐磨性、抗老化性及改善塑料的抗老化性能。作為成核劑的納米二氧化硅，適用于聚乙烯、聚丙烯等不完全結(jié)晶塑料；其是通過改變樹脂的結(jié)晶行為，加快結(jié)晶速率、增加結(jié)晶密度和促使晶粒尺寸微細(xì)化，達(dá)到縮短成型周期、而提高制品透明性、表面光澤、抗拉強(qiáng)度、剛性、熱變形溫度、抗沖擊性、抗蠕變性等物理機(jī)械性能的新功能助劑。

在熱塑性塑料中，氣相法二氧化硅可以提高塑料的韌性，它被添加到塑料中后，可以在不削弱材料剛性的前提下提高材料的韌性，甚至還能提高材料的剛性。在熱固性塑料中，如在環(huán)氧樹脂中添加氣相二氧化硅可明顯改善其脆性，可以克服彈性體增韌而致的材料剛性和強(qiáng)度降低的缺陷，達(dá)到增強(qiáng)增韌的目的。在塑料中，二氧化硅還可以作為阻燃劑使用。由于氣相二氧化硅通過在凝聚相的物理過程提高了炭硅層的強(qiáng)度，使之能夠阻止燃燒中熱量和物質(zhì)的傳遞。

在紡織領(lǐng)域

目前，人們已將其應(yīng)用到防紫外 、遠(yuǎn)紅抗菌消臭、 抗老化等方面。例如，納米二氧化硅和納米二氧化鈦的適當(dāng)配比而成的復(fù)合粉體是抗紫外輻射纖維的重要添劑。納米材料添加的纖維還有一重要特性，就是對(duì)人體紅外線有很強(qiáng)的吸收作用，這就可以增加保暖作用，減輕衣服的重量，用添加紅外吸收納米材料粉的纖維做成的衣服，其重量可減輕30%左右 。

在抗菌劑領(lǐng)域、催化領(lǐng)域

納米二氧化硅具有生理惰性、高吸附性，在殺菌劑的制備中常用作載體，當(dāng)納米sio2作載體時(shí)，可吸附抗菌離子達(dá)到抗菌的目的。`納米SiO2具有生理惰性、高吸附性，在殺菌劑的制備中常用作載體。當(dāng)納米SiO2作載體時(shí)，可吸附抗菌離子，達(dá)到殺菌抗菌的目的，有報(bào)道產(chǎn)品可用于冰箱外殼、電腦鍵盤等的制造。國(guó)內(nèi)研究人員利用納米SiO2龐大的比表面積、表面多介孔結(jié)構(gòu)和超強(qiáng)的吸附能力以及奇異的理化特性，將銀離子等功能離子均勻地設(shè)計(jì)到納米SiO2表面的介孔中，成功開發(fā)出高效、持久、耐高溫、廣譜抗菌的納米抗菌粉（粒徑只有70納米左右）.

納米sio2比表面積大 、孔隙率高 、表面活性中心多，在催化劑和催化劑載體方而具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。 以納米二氧化硅為基本原料，采用溶膠-凝膠技術(shù)，可制備含納米二氧化硅的復(fù)合氧化物 。此復(fù)合氧化物為催化劑載體時(shí)，對(duì)于許多結(jié)構(gòu)敏感反應(yīng)，將顯示出獨(dú)特的反應(yīng)性能。反應(yīng)的催化活性高，選擇性好，反應(yīng)中能長(zhǎng)時(shí)間保持催化活性 。

在農(nóng)業(yè)及食品領(lǐng)域

如在農(nóng)業(yè)中，利用納米二氧化硅制農(nóng)業(yè)種子處理劑，可使蔬菜(甘藍(lán)、西紅柿、黃、棉花 、玉米 、小麥提髙產(chǎn)量，提前成熟期。如納米sio2可應(yīng)用除草劑和殺蟲劑中，若在粒狀的殺蟲劑配方中，加人少量納米二氧化硅會(huì)有效地控制和防止有害物產(chǎn)生。

在食品行業(yè)中，納米氧化硅也有許多應(yīng)用 之如添加納米sio2的食品包裝袋，對(duì)水果 、蔬菜起到保鮮作用；應(yīng)用納米氧化硅于酒類生產(chǎn)中可到凈化和延長(zhǎng)保鮮期的作用；還可作防治水果 、菜各種疾病的髙效殺菌劑。

在潤(rùn)滑油添加劑領(lǐng)域

納米二氧化硅微粒表面含有大量的羥基和不飽鍵，可以在摩擦副表而形成牢固的化學(xué)吸附膜，而保護(hù)金屬摩擦表面，顯著改善潤(rùn)滑油的摩擦性能 。潤(rùn)滑油的承載能力在加入納sio2后得到很大提高，當(dāng)加人量為1 .5時(shí)，PB值增大了近1倍，sio2納米微粒作為潤(rùn)滑油添加劑表現(xiàn)出優(yōu)異的抗磨減摩性能，并對(duì)磨損表而起到一定的修復(fù)作用。

在陶瓷領(lǐng)域中的應(yīng)用

首先，二氧化硅是石英陶瓷的主要成分。其次，作為添加劑，它還可以有效的增強(qiáng)陶瓷性能。如：用二氧化硅代替納米Al2O3添加到95瓷里，既可以起到納米顆粒的作用，同時(shí)它又是第二相的顆粒，不但提高陶瓷材料的強(qiáng)度、韌性，而且提高了材料的硬度和彈性模量等性能，其效果比添加Al2O3更理想。利用二氧化硅來復(fù)合陶瓷基片，不但提高了基片的致密性、韌性和光潔度，而且燒結(jié)溫度大幅降低。此外，二氧化硅在陶瓷過濾網(wǎng)、剛玉球等陶瓷產(chǎn)品中應(yīng)用效果也十分顯著。

在電子封裝中的應(yīng)用

電子封裝的三大主材料是基板材料、塑封料、引線框架及焊料。塑封料中，環(huán)氧塑封料（EMC）是國(guó)內(nèi)外集成電路封裝的主流，在EMC中，二氧化硅微粉含量占60％～90％。在電子封裝中，主要要求集成電路封裝后高耐潮、低應(yīng)力、低α射線，耐浸焊和回流焊，塑封工藝性能好。針對(duì)這幾個(gè)要求，環(huán)氧塑封料必須在樹脂基體里摻雜無機(jī)填料，現(xiàn)用的無機(jī)填料基本上都是硅微粉，具有降低塑封料的熱膨脹系數(shù)，增加熱導(dǎo)，降低介電常數(shù)，環(huán)保、阻燃，減小內(nèi)應(yīng)力，防止吸潮，增加塑封料強(qiáng)度，降低封裝料成本等作用。將經(jīng)表面活性處理后的納米二氧化硅充分分散在有機(jī)硅改性環(huán)氧樹脂封裝膠基質(zhì)中，可以大幅度地縮短封裝材料固化時(shí)間（為2.0-2.5h）,且固化溫度可降低到室溫,使器件密封性能得到顯著提高,增加器件的使用壽命。

在玻璃鋼制品中的應(yīng)用

玻璃鋼制品雖然有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，但其本身硬度較低、耐磨性較差。有關(guān)專家通過超聲分散方法將二氧化硅添加到膠衣樹脂中，與未加二氧化硅的膠衣做性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其莫氏硬度由原來的2.2級(jí)（相當(dāng)于石膏的硬度）提高到2.8~2.9級(jí)（3級(jí)是天然大理石硬度），耐磨性提高1~2倍，因納米顆粒與有機(jī)高分子產(chǎn)生接枝和鍵合作用，使材料韌性增加，故抗拉強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度提高1倍以上，耐熱性能也大幅提高。

在化妝品中的應(yīng)用

在防曬產(chǎn)品中以往多使用有機(jī)化合物為紫外線吸收劑，但是存在諸如為了盡可能保護(hù)皮膚不接觸紫外線而提高添加量之后，會(huì)增加發(fā)生皮膚癌以及產(chǎn)生化學(xué)性過敏等問題，而二氧化硅為無機(jī)成分，易于與化妝品其它組分配伍，無毒、無味，不存在上述問題，且自身為白色，可以簡(jiǎn)單地加以著色，尤其可貴的是二氧化硅反射紫外能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好，被紫外線照射后不分解，不變色，也不會(huì)與配方中其它組分起化學(xué)反應(yīng)。二氧化硅的這些突出特點(diǎn)為防曬化妝品的升級(jí)換代奠定了良好的基礎(chǔ)。

在光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

高壓鈉燈以及各種用于拍照、攝影的碘弧燈都要求強(qiáng)照明，但是燈絲被加熱后69%的能量轉(zhuǎn)化為紅外線，這就表明有相當(dāng)多的電能轉(zhuǎn)化為熱能被消耗掉，僅有一少部分轉(zhuǎn)化為光能來照明，同時(shí)，燈管發(fā)熱也會(huì)影響燈具的壽命，如何提高發(fā)光效率，增加照明度一直是急待解決的關(guān)鍵問題。80年代以來，科研技術(shù)人員用二氧化硅和納米二氧化鈦微粒制成了多層干涉膜，總厚度為微米級(jí)，襯在燈泡罩的內(nèi)壁，結(jié)果不但透光率好，而且有很強(qiáng)的紅外線反射能力。據(jù)專家測(cè)算同種燈光亮度下，該種燈具與傳統(tǒng)的鹵素?zé)粝啾?，可?jié)約15%的電能。

在造紙中的應(yīng)用

在造紙行業(yè)，氣相二氧化硅產(chǎn)品可以用作紙張上膠劑，可以提高紙張的白度和不透明度，可以改進(jìn)耐油性、耐磨性、手感性、印刷性、光澤性。而且還可以用于曬圖紙，可以使紙張表面質(zhì)量好、油墨穩(wěn)定、背面無裂縫，并且可用于疊氮紙中，生產(chǎn)出優(yōu)異藍(lán)圖紙，可用于銅板紙中代替鈦白。加入1-2%的氣相二氧化硅產(chǎn)品，可以減輕紙的重量，而且紙薄，能夠提高強(qiáng)度，防止油墨滲透，還能夠使印刷文字清晰，增加不透明度。

彩色噴墨打印紙的質(zhì)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(guó)主要采用的是二氧化硅。這些二氧化硅的結(jié)構(gòu)和性能對(duì)吸墨涂層的質(zhì)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(wǎng)絡(luò),對(duì)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(dá)到多層彩色相紙的質(zhì)量水平。

其它領(lǐng)域

納米氧化硅具有高的表面能和吸附性質(zhì)，有良好的穩(wěn)定性及生物親和性，可作為新型傳感器；

利用納米sio2無毒無味、無污染以及耐腐蝕、可增強(qiáng) 、增韌的特性，可大大地提高了人造牙齒的硬度及強(qiáng)度，也改善了其SJ性。

將納米二氧化硅應(yīng)用于電刷鍍工藝中，提高鍍層的力學(xué)性能 、改善鍍層的微動(dòng)磨損性能；

納米sio2可用于油墨中作為分散劑和流量控制劑 ；

 

制造方法：

納米SiO2的制備方法分為物理法和化學(xué)法兩種。

（1）物理法

物理法一般指機(jī)械粉碎法。利用超級(jí)氣流粉碎機(jī)或高能球磨機(jī)將SiO2的聚集體粉碎可獲得粒徑1～5微米的超細(xì)產(chǎn)品。該法工藝簡(jiǎn)單但易帶入雜質(zhì).粉料特性難以控制，制備效率低且粒徑分布較寬。

（2）化學(xué)法

化學(xué)法可制得純凈且粒徑分布均勻的超細(xì)SiO2顆粒?；瘜W(xué)法包括化學(xué)氣相沉積(CVD)法、液相法、離子交換法、沉淀法和溶膠凝膠(Sol-Gel)法等，主要的生產(chǎn)方法還是以四氯化硅為原料的氣相法，以硅酸鈉和無機(jī)酸為原料的沉淀法和以硅酸醋等為原料的溶膠凝膠法。

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