纳米二氧化硅介绍和应用

纳米二氧化硅介绍和应用

概述：

纳米二氧化硅（英文名称nano-silicon dioxide）是一种无机化工材料，分子式和结构式为SiO2，不溶于水。由于是超细纳米级，尺寸范围在1~100nm，因此具有许多独特的性质，如具有对抗紫外线的光学性能，能提高其他材料抗老化、强度和耐化学性能。纳米二氧化硅为无定型白色粉末，无毒、无味、无污染，呈絮状和网状的准颗粒结构，一般表面存在羟基和吸附水，具有粒径小、纯度高、密度低、比表面积大、分散性能好的特点，以及优越的稳定性、补强性、触变性和优良的光学及机械性能，广泛用于陶瓷、橡胶、塑料、涂料、颜料及催化剂载体等领域。

工业用SiO2称作白炭黑，质量较轻，是一种超微细粉体，粒径在0.3μm以下，相对密度为2.319～2.653，熔点为1750℃，暴露在空气中吸潮后会形成聚合的细颗粒。且纳米的分支状态呈三维链状结构，表面存在不饱和残键和不同键合状态的羟基。 纳米SiO2作为纳米粉体，其体积效应和量子隧道效应使得其产生渗透作用，可深入到高分子化合物的π键附近，与高分子化合物的电子云发生重叠，形成空间网状结构，从而大幅度提高了高分子材料的力学强度、韧性、耐磨性和耐老化性等。

我国对纳米材料的研究起步比较迟，直到“八五计划”将“纳米材料”列人重大基础项目之后，这方面的研究才迅速开展起来，并取得了令人瞩目的成果。1996 年纳米二氧化硅成功开发来出来,成为纳米材料家庭的重要一员 , 从而使我国成为继美、英、日、德国之后 ,国际上第五个能批量生产此产品的国家。

主要用途：

纳米二氧化硅的用途分非常广泛，一般添加重量在0.5—2%，个别产品体系可到10%以上。对产品性能体现的关键是：充分分散到体系当中。使用时根据不同的体系，预先将纳米二氧化硅分散在水、丙酮、醇类或其他溶剂中，对于油性体系，可辅之以助剂做预处理。主要用在以下领域：

在涂料领域

纳米SiO2具有极强的紫外和红外反射特性，对紫外线有较高的屏蔽率，加入涂料可屏蔽紫外线，从而提高了外墙涂料的抗老化耐侯性和热老化的目的，同时增加了涂料的隔热性。纳米二氧化硅具有三维网状结构，拥有庞大的比表面积，表现出极大的活性，能在涂料干燥时形成网状结构，同时增加了涂料的强度和光洁度，而且提高了颜料的悬浮性，能保持涂料的颜色长期不退色。由于纳米二氧化硅粒子比表面积大，能与聚合物分子产生强烈的交联作用，同时由于纳米二氧化硅尺寸较小，可以填充涂层中的孔隙 ，使涂层更加致密，大大提髙涂料的剪切力和剥离力，使涂层的附着力增大。

在粘结剂和密封胶领域
在粘结剂和密封胶领域，纳米二氧化硅是用量较大、使用范围较广的重要产品。其作用机理是纳米二氧化硅表面包覆层有机材料，使之具有疏水特性，将它添加到密封胶中能很快形成一种网络结构，抑制胶体流动，固化速率加快，提高粘接效果，同时由于颗粒细小，更增加了胶的密封性。

在橡胶中应用

作为补强剂、抗老化剂的纳米二氧化硅应用于橡胶制品，可提高橡胶制品的强度、提高韧性、防老化、抗磨擦着火、延长寿命等功能。橡胶是一种伸缩性优异的弹性体，但其综合性能并不令人满意，生产橡胶制品过程中通常需在胶料中加入炭黑来提高强度、耐磨性和抗老化性，但由于炭黑的加入使得制品均为黑色，且档次不高。而二氧化硅在我国的问世为生产出色彩新颖、性能优异的新一代橡胶制品奠定了物质基础。在普通橡胶中添加少量二氧化硅后，产品的强度、耐磨性和抗老化性等性能均达到或超过高档橡胶制品，而且可以保持颜色长久不变。

橡胶是二氧化硅应用的传统领域，其中鞋类制品用量最大。目前，随着二氧化硅用量的增加，其应用的制品种类也越来越多。另外，还可用于制造透明胶鞋底。

制造胶辊。如用于复印机或激光打印机的半导电性胶辊，电子摄影机连续输送胶片的胶辊，金属芯硅橡胶辊。

制造轮胎。最大的应用是制造绿色轮胎，如白炭黑补强顺丁橡胶用于轮胎胎面。另外，还可利用纳米SiO2改性轮胎侧面胶生产彩色轮胎。

在塑料中应用

在塑料中加入纳米二氧化硅可以提高塑料的韧性、强度、耐磨性、抗老化性及改善塑料的抗老化性能。如：用纳米二氧化硅改性聚丙烯塑料(PP)而得到的高刚性、高韧性纳米复合材料可制造汽车保险杠；又如：在半透明的塑料薄膜中添加纳米二氧化硅后，不但透明性、韧性、强度得到提高，且防水性、耐侯性能也大大增强；再如，将纳米二氧化硅用于有机玻璃(PMMA)，可提高其强度、冲击韧性、耐磨性、透光性、抗紫外线和防老化性能，塑料中加入纳米二氧化硅可以提高塑料的韧性、强度、耐磨性、抗老化性及改善塑料的抗老化性能。作为成核剂的纳米二氧化硅，适用于聚乙烯、聚丙烯等不完全结晶塑料；其是通过改变树脂的结晶行为，加快结晶速率、增加结晶密度和促使晶粒尺寸微细化，达到缩短成型周期、而提高制品透明性、表面光泽、抗拉强度、刚性、热变形温度、抗冲击性、抗蠕变性等物理机械性能的新功能助剂。

在热塑性塑料中，气相法二氧化硅可以提高塑料的韧性，它被添加到塑料中后，可以在不削弱材料刚性的前提下提高材料的韧性，甚至还能提高材料的刚性。在热固性塑料中，如在环氧树脂中添加气相二氧化硅可明显改善其脆性，可以克服弹性体增韧而致的材料刚性和强度降低的缺陷，达到增强增韧的目的。在塑料中，二氧化硅还可以作为阻燃剂使用。由于气相二氧化硅通过在凝聚相的物理过程提高了炭硅层的强度，使之能够阻止燃烧中热量和物质的传递。

在纺织领域

目前，人们已将其应用到防紫外 、远红抗菌消臭、 抗老化等方面。例如，纳米二氧化硅和纳米二氧化钛的适当配比而成的复合粉体是抗紫外辐射纤维的重要添剂。纳米材料添加的纤维还有一重要特性，就是对人体红外线有很强的吸收作用，这就可以增加保暖作用，减轻衣服的重量，用添加红外吸收纳米材料粉的纤维做成的衣服，其重量可减轻30%左右 。

在抗菌剂领域、催化领域

纳米二氧化硅具有生理惰性、高吸附性，在杀菌剂的制备中常用作载体，当纳米sio2作载体时，可吸附抗菌离子达到抗菌的目的。`纳米SiO2具有生理惰性、高吸附性，在杀菌剂的制备中常用作载体。当纳米SiO2作载体时，可吸附抗菌离子，达到杀菌抗菌的目的，有报道产品可用于冰箱外壳、电脑键盘等的制造。国内研究人员利用纳米SiO2庞大的比表面积、表面多介孔结构和超强的吸附能力以及奇异的理化特性，将银离子等功能离子均匀地设计到纳米SiO2表面的介孔中，成功开发出高效、持久、耐高温、广谱抗菌的纳米抗菌粉（粒径只有70纳米左右）.

纳米sio2比表面积大 、孔隙率高 、表面活性中心多，在催化剂和催化剂载体方而具有潜在的应用价值。 以纳米二氧化硅为基本原料，采用溶胶-凝胶技术，可制备含纳米二氧化硅的复合氧化物 。此复合氧化物为催化剂载体时，对于许多结构敏感反应，将显示出独特的反应性能。反应的催化活性高，选择性好，反应中能长时间保持催化活性 。

在农业及食品领域

如在农业中，利用纳米二氧化硅制农业种子处理剂，可使蔬菜(甘蓝、西红柿、黄、棉花 、玉米 、小麦提髙产量，提前成熟期。如纳米sio2可应用除草剂和杀虫剂中，若在粒状的杀虫剂配方中，加人少量纳米二氧化硅会有效地控制和防止有害物产生。

在食品行业中，纳米氧化硅也有许多应用 之如添加纳米sio2的食品包装袋，对水果 、蔬菜起到保鲜作用；应用纳米氧化硅于酒类生产中可到净化和延长保鲜期的作用；还可作防治水果 、菜各种疾病的髙效杀菌剂。

在润滑油添加剂领域

纳米二氧化硅微粒表面含有大量的羟基和不饱键，可以在摩擦副表而形成牢固的化学吸附膜，而保护金属摩擦表面，显著改善润滑油的摩擦性能 。润滑油的承载能力在加入纳sio2后得到很大提高，当加人量为1 .5时，PB值增大了近1倍，sio2纳米微粒作为润滑油添加剂表现出优异的抗磨减摩性能，并对磨损表而起到一定的修复作用。

在陶瓷领域中的应用

首先，二氧化硅是石英陶瓷的主要成分。其次，作为添加剂，它还可以有效的增强陶瓷性能。如：用二氧化硅代替纳米Al2O3添加到95瓷里，既可以起到纳米颗粒的作用，同时它又是第二相的颗粒，不但提高陶瓷材料的强度、韧性，而且提高了材料的硬度和弹性模量等性能，其效果比添加Al2O3更理想。利用二氧化硅来复合陶瓷基片，不但提高了基片的致密性、韧性和光洁度，而且烧结温度大幅降低。此外，二氧化硅在陶瓷过滤网、刚玉球等陶瓷产品中应用效果也十分显著。

在电子封装中的应用

电子封装的三大主材料是基板材料、塑封料、引线框架及焊料。塑封料中，环氧塑封料（EMC）是国内外集成电路封装的主流，在EMC中，二氧化硅微粉含量占60％～90％。在电子封装中，主要要求集成电路封装后高耐潮、低应力、低α射线，耐浸焊和回流焊，塑封工艺性能好。针对这几个要求，环氧塑封料必须在树脂基体里掺杂无机填料，现用的无机填料基本上都是硅微粉，具有降低塑封料的热膨胀系数，增加热导，降低介电常数，环保、阻燃，减小内应力，防止吸潮，增加塑封料强度，降低封装料成本等作用。将经表面活性处理后的纳米二氧化硅充分分散在有机硅改性环氧树脂封装胶基质中，可以大幅度地缩短封装材料固化时间（为2.0-2.5h）,且固化温度可降低到室温,使器件密封性能得到显著提高,增加器件的使用寿命。

在玻璃钢制品中的应用

玻璃钢制品虽然有轻质、高强、耐腐蚀等优点，但其本身硬度较低、耐磨性较差。有关专家通过超声分散方法将二氧化硅添加到胶衣树脂中，与未加二氧化硅的胶衣做性能对比实验，发现其莫氏硬度由原来的2.2级（相当于石膏的硬度）提高到2.8~2.9级（3级是天然大理石硬度），耐磨性提高1~2倍，因纳米颗粒与有机高分子产生接枝和键合作用，使材料韧性增加，故抗拉强度和抗冲击强度提高1倍以上，耐热性能也大幅提高。

在化妆品中的应用

在防晒产品中以往多使用有机化合物为紫外线吸收剂，但是存在诸如为了尽可能保护皮肤不接触紫外线而提高添加量之后，会增加发生皮肤癌以及产生化学性过敏等问题，而二氧化硅为无机成分，易于与化妆品其它组分配伍，无毒、无味，不存在上述问题，且自身为白色，可以简单地加以着色，尤其可贵的是二氧化硅反射紫外能力强、稳定性好，被紫外线照射后不分解，不变色，也不会与配方中其它组分起化学反应。二氧化硅的这些突出特点为防晒化妆品的升级换代奠定了良好的基础。

在光学领域的应用

高压钠灯以及各种用于拍照、摄影的碘弧灯都要求强照明，但是灯丝被加热后69%的能量转化为红外线，这就表明有相当多的电能转化为热能被消耗掉，仅有一少部分转化为光能来照明，同时，灯管发热也会影响灯具的寿命，如何提高发光效率，增加照明度一直是急待解决的关键问题。80年代以来，科研技术人员用二氧化硅和纳米二氧化钛微粒制成了多层干涉膜，总厚度为微米级，衬在灯泡罩的内壁，结果不但透光率好，而且有很强的红外线反射能力。据专家测算同种灯光亮度下，该种灯具与传统的卤素灯相比，可节约15%的电能。

在造纸中的应用

在造纸行业，气相二氧化硅产品可以用作纸张上胶剂，可以提高纸张的白度和不透明度，可以改进耐油性、耐磨性、手感性、印刷性、光泽性。而且还可以用于晒图纸，可以使纸张表面质量好、油墨稳定、背面无裂缝，并且可用于叠氮纸中，生产出优异蓝图纸，可用于铜板纸中代替钛白。加入1-2%的气相二氧化硅产品，可以减轻纸的重量，而且纸薄，能够提高强度，防止油墨渗透，还能够使印刷文字清晰，增加不透明度。

彩色喷墨打印纸的质量主要决定于其吸墨涂层的性能。吸墨涂层中的主要成分一般是两类：高分子树脂和颜料颗粒。作为颜料颗粒，目前各国主要采用的是二氧化硅。这些二氧化硅的结构和性能对吸墨涂层的质量有决定性的影响。二氧化硅的作用是在涂层中形成含有大量微孔的网络,对喷印的墨滴起吸附并固着作用，防止墨滴的渗色和深层渗透，从而使打印的图象具有较高的饱和度和清晰度，达到多层彩色相纸的质量水平。

其它领域

纳米氧化硅具有高的表面能和吸附性质，有良好的稳定性及生物亲和性，可作为新型传感器；

利用纳米sio2无毒无味、无污染以及耐腐蚀、可增强 、增韧的特性，可大大地提高了人造牙齿的硬度及强度，也改善了其SJ性。

将纳米二氧化硅应用于电刷镀工艺中，提高镀层的力学性能 、改善镀层的微动磨损性能；

纳米sio2可用于油墨中作为分散剂和流量控制剂 ；

 

制造方法：

纳米SiO2的制备方法分为物理法和化学法两种。

（1）物理法

物理法一般指机械粉碎法。利用超级气流粉碎机或高能球磨机将SiO2的聚集体粉碎可获得粒径1～5微米的超细产品。该法工艺简单但易带入杂质.粉料特性难以控制，制备效率低且粒径分布较宽。

（2）化学法

化学法可制得纯净且粒径分布均匀的超细SiO2颗粒。化学法包括化学气相沉积(CVD)法、液相法、离子交换法、沉淀法和溶胶凝胶(Sol-Gel)法等，主要的生产方法还是以四氯化硅为原料的气相法，以硅酸钠和无机酸为原料的沉淀法和以硅酸醋等为原料的溶胶凝胶法。

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