纳米二氧化硅制备与应用

纳米二氧化硅是一种无机化工材料，俗称“超微细白炭黑”，是一种无毒、无味、无污染的无机非金属材料和高科技超微细无机新材料。尺寸在1~100nm之间，呈三维网状结构，极易团聚，贮存稳定性差。

纳米二氧化硅的制备

目前，对纳米二氧化硅的研究主要采用硅酸钠和正硅酸乙酯为原料，而工业生产的原料则以低廉的硅酸钠为主。

• 物理法

主要为机械粉碎，通过超细粉碎机械产生的冲击、剪切 、摩擦等力的综合作用对大颗粒二氧化硅进行超细粉碎。然后利用高效分组装置分离不同粒径的颗粒，从而实现纳米二氧化硅粉末粒度分布的均匀化与特定化。

物理法生产工艺简单，生产量大，生产过程易于控制。但对原料要求较高，且随着粒度减小，颗粒因表面能增大而团聚，难以进一步缩小粉体颗粒粒径。

• 化学法

1.化学气相反应法

此法利用有机硅化合物（如有机卤硅烷、硅烷等）、氢气与氧气或空气混合燃烧，有机硅化合物在高温燃烧后，在反应生成的水中进行高温水解，从而制得纳米二氧化硅。

化学气相反应法粒度均匀，粒径小且成球形，产品纯度高，表面羟基少。此法要使化学反应发生，还必须利用加热、射线辐照或等离子体等方式将反应物活化成分子，因而此法所用设备要求高，所用原料贵，产品价格较高。

2.  沉淀法

沉淀法是将反应物溶液与其它辅助剂混合,然后在混合溶液中加入酸化剂沉淀，生成的沉淀再经干燥与锻烧得到纳米二氧化硅。

沉淀法工艺简单、原料来源广泛而得到广泛地研究与应用，但其产品性状难以控制的问题尚没得到较好解决。

3.  溶胶-凝胶法

此法一般以硅酸盐或硅酸酯为前驱物溶于溶剂中形成均匀溶液,然后调节pH值，使前驱物水解聚合形成溶胶。

溶胶-凝胶法过程易于控制而得到广泛研究，所得产品具有较大的比表面积。但是洗涤困难、对原料要求较高且干燥时间太长等限制了它的使用。

4.  微乳液法

通过向由前驱物制得的微乳液中滴加酸化剂或催化剂，使制备反应在微乳液泡内发生，利用微乳液使固相的成核生长、凝结、团聚等过程局限在一个微小的球形液滴微泡内，从而形成纳米球形颗粒，又避免了颗粒之间进一步团聚，易实现体粒径的可控性生产。

由于其具有纳米级的自装配能力易于实现粒径与形貌的可控性制备而引起众多研究者的兴趣，成为近年的研究热点。由于其成本高、产品的有机成份难以去除且易造成环境污染，而尚未在工业上广泛应用。

纳米SiO₂的表面改性

纳米二氧化硅表面存在大量的活性硅轻基，尺寸小，比表面积大，使其本身易于团聚。直接填充到有机材料中，由于其难以浸润和分散，相容性差，很难发挥作用，限制了在工业上的应用。

• 物理法

表面包覆法是使表面改性及与纳米SiO₂无化学反应，包覆物与颗粒之间依靠分子间作用力连接起来的改性方法。

热处理法改性是将纳米SiO₂放在一定的介质背部加热保温冷却，通过改变纳米SiO₂表面或内部的组织结构来控制性能的一种综合工艺。

• 化学法

脂肪醇与SiO₂表面的羟基发生反应，脱去水分子，SiO₂表面的羟基被烷基取代，以醇类作为改性剂。

纳米SiO₂的应用

• 涂料

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，而且提高了颜料的悬浮性，能保持涂料的颜色长期不退色。在建筑内外墙涂料中，具有优良的自清洁能力和附着力。

• 粘结剂/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，目前国内高档的密封胶和粘结剂主要依赖进口。

• 橡胶

可提高橡胶制品的强度、提高韧性、延长寿命等功能。另外，还可用于制造透明胶鞋底，而该类产品以前全部依赖进口。

• 塑料

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。

• 纺织领域

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，还可以增加保暖作用，减轻衣服的重量。

• 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，可吸附抗菌离子达到抗菌的目的，可用于冰箱外壳、电脑键盘等的制造。

• 农业及食品领域

可使蔬菜提前成熟期。