納米二氧化硅介紹和應用

納米二氧化硅介紹和應用

概述：

納米二氧化硅（英文名稱nano-silicon dioxide）是一種無機化工材料，分子式和結構式為SiO2，不溶于水。由于是超細納米級，尺寸范圍在1~100nm，因此具有許多獨特的性質，如具有對抗紫外線的光學性能，能提高其他材料抗老化、強度和耐化學性能。納米二氧化硅為無定型白色粉末，無毒、無味、無污染，呈絮狀和網狀的準顆粒結構，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，以及優越的穩定性、補強性、觸變性和優良的光學及機械性能，廣泛用于陶瓷、橡膠、塑料、涂料、顏料及催化劑載體等領域。

工業用SiO2稱作白炭黑，質量較輕，是一種超微細粉體，粒徑在0.3μm以下，相對密度為2.319～2.653，熔點為1750℃，暴露在空氣中吸潮后會形成聚合的細顆粒。且納米的分支狀態呈三維鏈狀結構，表面存在不飽和殘鍵和不同鍵合狀態的羥基。 納米SiO2作為納米粉體，其體積效應和量子隧道效應使得其產生滲透作用，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生重疊，形成空間網狀結構，從而大幅度提高了高分子材料的力學強度、韌性、耐磨性和耐老化性等。

我國對納米材料的研究起步比較遲，直到“八五計劃”將“納米材料”列人重大基礎項目之后，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來出來,成為納米材料家庭的重要一員 , 從而使我國成為繼美、英、日、德國之后 ,國際上第五個能批量生產此產品的國家。

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%，個別產品體系可到10%以上。對產品性能體現的關鍵是：充分分散到體系當中。使用時根據不同的體系，預先將納米二氧化硅分散在水、丙酮、醇類或其他溶劑中，對于油性體系，可輔之以助劑做預處理。主要用在以下領域：

在涂料領域

納米SiO2具有極強的紫外和紅外反射特性，對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，同時增加了涂料的隔熱性。納米二氧化硅具有三維網狀結構，擁有龐大的比表面積，表現出極大的活性，能在涂料干燥時形成網狀結構，同時增加了涂料的強度和光潔度，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，能與聚合物分子產生強烈的交聯作用，同時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。

在粘結劑和密封膠領域
在粘結劑和密封膠領域，納米二氧化硅是用量較大、使用范圍較廣的重要產品。其作用機理是納米二氧化硅表面包覆層有機材料，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絡結構，抑制膠體流動，固化速率加快，提高粘接效果，同時由于顆粒細小，更增加了膠的密封性。

在橡膠中應用

作為補強劑、抗老化劑的納米二氧化硅應用于橡膠制品，可提高橡膠制品的強度、提高韌性、防老化、抗磨擦著火、延長壽命等功能。橡膠是一種伸縮性優異的彈性體，但其綜合性能并不令人滿意，生產橡膠制品過程中通常需在膠料中加入炭黑來提高強度、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。而二氧化硅在我國的問世為生產出色彩新穎、性能優異的新一代橡膠制品奠定了物質基礎。在普通橡膠中添加少量二氧化硅后，產品的強度、耐磨性和抗老化性等性能均達到或超過高檔橡膠制品，而且可以保持顏色長久不變。

橡膠是二氧化硅應用的傳統領域，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。如用于復印機或激光打印機的半導電性膠輥，電子攝影機連續輸送膠片的膠輥，金屬芯硅橡膠輥。

制造輪胎。最大的應用是制造綠色輪胎，如白炭黑補強順丁橡膠用于輪胎胎面。另外，還可利用納米SiO2改性輪胎側面膠生產彩色輪胎。

在塑料中應用

在塑料中加入納米二氧化硅可以提高塑料的韌性、強度、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、高韌性納米復合材料可制造汽車保險杠；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、強度得到提高，且防水性、耐侯性能也大大增強；再如，將納米二氧化硅用于有機玻璃(PMMA)，可提高其強度、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、聚丙烯等不完全結晶塑料；其是通過改變樹脂的結晶行為，加快結晶速率、增加結晶密度和促使晶粒尺寸微細化，達到縮短成型周期、而提高制品透明性、表面光澤、抗拉強度、剛性、熱變形溫度、抗沖擊性、抗蠕變性等物理機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度降低的缺陷，達到增強增韌的目的。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度，使之能夠阻止燃燒中熱量和物質的傳遞。

在紡織領域

目前，人們已將其應用到防紫外 、遠紅抗菌消臭、 抗老化等方面。例如，納米二氧化硅和納米二氧化鈦的適當配比而成的復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，就是對人體紅外線有很強的吸收作用，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 。

在抗菌劑領域、催化領域

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，當納米sio2作載體時，可吸附抗菌離子達到抗菌的目的。`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。當納米SiO2作載體時，可吸附抗菌離子，達到殺菌抗菌的目的，有報道產品可用于冰箱外殼、電腦鍵盤等的制造。國內研究人員利用納米SiO2龐大的比表面積、表面多介孔結構和超強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計到納米SiO2表面的介孔中，成功開發出高效、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用價值。 以納米二氧化硅為基本原料，采用溶膠-凝膠技術，可制備含納米二氧化硅的復合氧化物 。此復合氧化物為催化劑載體時，對于許多結構敏感反應，將顯示出獨特的反應性能。反應的催化活性高，選擇性好，反應中能長時間保持催化活性 。

在農業及食品領域

如在農業中，利用納米二氧化硅制農業種子處理劑，可使蔬菜(甘藍、西紅柿、黃、棉花 、玉米 、小麥提髙產量，提前成熟期。如納米sio2可應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有效地控制和防止有害物產生。

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

在潤滑油添加劑領域

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吸附膜，而保護金屬摩擦表面，顯著改善潤滑油的摩擦性能 。潤滑油的承載能力在加入納sio2后得到很大提高，當加人量為1 .5時，PB值增大了近1倍，sio2納米微粒作為潤滑油添加劑表現出優異的抗磨減摩性能，并對磨損表而起到一定的修復作用。

在陶瓷領域中的應用

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，同時它又是第二相的顆粒，不但提高陶瓷材料的強度、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，而且燒結溫度大幅降低。此外，二氧化硅在陶瓷過濾網、剛玉球等陶瓷產品中應用效果也十分顯著。

在電子封裝中的應用

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，環氧塑封料（EMC）是國內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、低應力、低α射線，耐浸焊和回流焊，塑封工藝性能好。針對這幾個要求，環氧塑封料必須在樹脂基體里摻雜無機填料，現用的無機填料基本上都是硅微粉，具有降低塑封料的熱膨脹系數，增加熱導，降低介電常數，環保、阻燃，減小內應力，防止吸潮，增加塑封料強度，降低封裝料成本等作用。將經表面活性處理后的納米二氧化硅充分分散在有機硅改性環氧樹脂封裝膠基質中，可以大幅度地縮短封裝材料固化時間（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用

玻璃鋼制品雖然有輕質、高強、耐腐蝕等優點，但其本身硬度較低、耐磨性較差。有關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比實驗，發現其莫氏硬度由原來的2.2級（相當于石膏的硬度）提高到2.8~2.9級（3級是天然大理石硬度），耐磨性提高1~2倍，因納米顆粒與有機高分子產生接枝和鍵合作用，使材料韌性增加，故抗拉強度和抗沖擊強度提高1倍以上，耐熱性能也大幅提高。

在化妝品中的應用

在防曬產品中以往多使用有機化合物為紫外線吸收劑，但是存在諸如為了盡可能保護皮膚不接觸紫外線而提高添加量之后，會增加發生皮膚癌以及產生化學性過敏等問題，而二氧化硅為無機成分，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，可以簡單地加以著色，尤其可貴的是二氧化硅反射紫外能力強、穩定性好，被紫外線照射后不分解，不變色，也不會與配方中其它組分起化學反應。二氧化硅的這些突出特點為防曬化妝品的升級換代奠定了良好的基礎。

在光學領域的應用

高壓鈉燈以及各種用于拍照、攝影的碘弧燈都要求強照明，但是燈絲被加熱后69%的能量轉化為紅外線，這就表明有相當多的電能轉化為熱能被消耗掉，僅有一少部分轉化為光能來照明，同時，燈管發熱也會影響燈具的壽命，如何提高發光效率，增加照明度一直是急待解決的關鍵問題。80年代以來，科研技術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，襯在燈泡罩的內壁，結果不但透光率好，而且有很強的紅外線反射能力。據專家測算同種燈光亮度下，該種燈具與傳統的鹵素燈相比，可節約15%的電能。

在造紙中的應用

在造紙行業，氣相二氧化硅產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，可以使紙張表面質量好、油墨穩定、背面無裂縫，并且可用于疊氮紙中，生產出優異藍圖紙，可用于銅板紙中代替鈦白。加入1-2%的氣相二氧化硅產品，可以減輕紙的重量，而且紙薄，能夠提高強度，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，目前各國主要采用的是二氧化硅。這些二氧化硅的結構和性能對吸墨涂層的質量有決定性的影響。二氧化硅的作用是在涂層中形成含有大量微孔的網絡,對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，達到多層彩色相紙的質量水平。

其它領域

納米氧化硅具有高的表面能和吸附性質，有良好的穩定性及生物親和性，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 、增韌的特性，可大大地提高了人造牙齒的硬度及強度，也改善了其SJ性。

將納米二氧化硅應用于電刷鍍工藝中，提高鍍層的力學性能 、改善鍍層的微動磨損性能；

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法兩種。

（1）物理法

物理法一般指機械粉碎法。利用超級氣流粉碎機或高能球磨機將SiO2的聚集體粉碎可獲得粒徑1～5微米的超細產品。該法工藝簡單但易帶入雜質.粉料特性難以控制，制備效率低且粒徑分布較寬。

（2）化學法

化學法可制得純凈且粒徑分布均勻的超細SiO2顆粒。化學法包括化學氣相沉積(CVD)法、液相法、離子交換法、沉淀法和溶膠凝膠(Sol-Gel)法等，主要的生產方法還是以四氯化硅為原料的氣相法，以硅酸鈉和無機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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