纳米 二氧化硅 的结构、制备及应用

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1、纳米二氧化硅的结构、制备及应用纳米二氧化硅的结构、制备及应用摘要:纳米二氧化硅是极其重要的高科技超微细无机新材料之一,因其粒径很小，比表面积大，表面吸附力强，表面能大，化学纯度高、分散性能好、热阻、电阻等方面具有特异的性能，以其优越的稳定性、补强性、增稠性和触变性，在众多学科及领域内独具特性，有着不可取代的作用。本文整理相关文献，介绍纳米二氧化硅材料的结构特征、主要制备方法及相关应用。关键词:纳米二氧化硅结构特征制备应用一、引言[1]纳米材料是当今无机化学及材料化学研究的热门课题之一，因其具有表面效应、宏观量子隧道效应和小尺寸效应，其所表现的诸

2、如熔点、磁性、光学、导热、导电等性质，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。因此纳米材料被广泛的应用于医药学、电子工业、环境科学和纺织工业等领域，具有广阔的前景。纳米二氧化硅是极其重要的高科技超微细无机新材料之一,因其粒径很小，比表面积大，表面吸附力强，表面能大，化学纯度高、分散性能好、热阻、电阻等方面具有特异的性能，以其优越的稳定性、补强性、增稠性和触变性，在众多学科及领域内独具特性，有着不可取代的作用。纳米二氧化硅俗称"超微细白炭黑"，广泛用于各行业作为添加剂、催化剂载体，石油化工，脱色剂，消光剂，橡胶补强剂，塑料充填剂，油墨增稠剂，金

3、属软性磨光剂，绝缘绝热填充剂，高级日用化妆品填料及喷涂材料、医药、环保等各种领域。纳米二氧化硅因其独特的性质引起了国内外科学家的广泛关注。本文整理相关文献，介绍纳米二氧化硅材料主要制备方法及相关应用。二、纳米SiO2的结构特征[2-3]SiO2按制备方法可分为气相法SiO2和沉淀法SiO2,这两类SiO2表面都存在大量残键和不同键合状态的羟基(相邻羟基、隔离羟基和双羟基),这种高活性的表面微观结构使SiO2极易以一次团聚体为基本单元联结成球状、线链状、团簇状等三维立体骨架或点阵结构形式。在X射线衍射下,气相法纳米SiO2和沉淀法纳米SiO2粒均

4、呈无定形结构,气相法SiO2粒径小,尺寸均一,表面羟基含量低,吸附活性高,内部结构几乎完全是排列紧密的三维网络状结构,具有一定的物理化学稳定性。气相法纳米SiO2超小的粒径和超大的比表面积使得由其制备的橡胶复合材料能够从真正意义上体现出纳米材料的特性。沉淀法纳米SiO2尺寸大,粒径不容易控制,羟基含量高,排列疏松的分子体系残存有较多的二维线性结构,这种毛细管结构现象极易吸湿空气和水而形成硬团聚,严重影响SiO2微粒以纳米量级分散形式在复合体系中发挥作用,影响增强效果。纳米SiO2较高的表面活性导致纳米微粒间非常容易联接形成粒子链状结构,进而形成

5、立体网络状结构,即所谓纳米颗粒的结构化。三、纳米SiO2制备[4-5]纳米二氧化硅的制备方法主要有干法和湿法两种。干法包括气相分解法和电弧法,湿法包括气相沉积法、化学沉淀法、溶胶-凝胶法和微乳液法等。干法制备工艺制备的纳米二氧化硅纯度高,性能好但设备投资较大、生产过程中能耗大,成本高,故不常采用。目前国内外多采用湿法工艺来制备纳米二氧化硅。1.气相沉淀法气相沉积法以四氯化硅为原料,采用四氯化硅气体在氢、氧气流高温下水解制得烟雾状的二氧化硅。其工艺流程是经气化的四氯化硅、氢和氧组成的均相气体混合在水解炉中燃烧,完成高温水解反应,烟雾状的二氧化硅通

6、过聚集器聚集,然后经过分离器到脱酸炉中进行脱酸处理,即可得到纳米二氧化硅,反应生成的HCl气体经水洗塔水洗后成为低浓度的盐酸。2.化学沉淀法化学沉淀法是以硅酸钠和酸化剂(H2SO4、HCl等)为原料,用酸化剂和硅酸钠溶液反应,反应生成的沉淀物经分离、干燥后得到SiO2。化学沉淀法是目前生产纳米二氧化硅最主要的方法,最终的产品粒径主要受所选择的酸化剂、硅酸盐浓度及搅拌条件等的影响。常用的酸化剂为硫酸、盐酸以及硝酸等,也有选用有机酸酸化剂或有机-无机复合酸化剂的,也可用乙酸乙酯水解释放出H+作酸化剂,可得到粒径为20nm左右的纳米SiO2粉体。3.

7、溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法一般是将硅酸酯与无水醇按一定的摩尔比搅拌成均匀的混合溶液,在搅拌状态下缓慢加入适量的去离子水,然后调节溶液的pH值,再加入合适的表面活性剂,将所得溶液搅拌后在室温下陈化制得凝胶,干燥后得纳米SiO2粉体。采用溶胶-凝胶法技术制备的纳米二氧化硅,其最终粒径受反应物水和NH3的浓度、硅酸酯的类型[正硅酸四甲酯(TMOS)、正硅酸四乙酯(TEOS)和正硅酸四丙酯(TPOS)等]、醇的种类(甲醇、乙醇、丙醇和戊醇等)、催化剂的种类(酸或碱)和温度等因素的影响而有所不同。通过对这些影响因素的调控,可获得不同结构的纳米材料。最常用的

8、硅酸酯是TEOS。首先将TEOS水解成原硅酸,然后原硅酸分子间脱水,逐步形成Si-O-Si长链,最终形成硅氧四面体组成的纳米SiO2大分子。四、纳米S