儲(chǔ)艷蘭,張 凱
(1.商丘師范學(xué)院 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理處;2.商丘師范學(xué) 院生命科學(xué)學(xué)院,河南 商丘 476000)
納米二氧化硅屬于無(wú)機(jī)非金屬納米材料,其粒徑大小在1—100nm[1]之間,具有吸附性強(qiáng)、可塑性良好、同時(shí)具有高磁阻性和低熱導(dǎo)性等特性,已被廣泛應(yīng)用于電子冶金、航空航天以及醫(yī)藥衛(wèi)生行業(yè).且因其粒徑小、化學(xué)純度高、分散性好等特異性優(yōu)勢(shì),使得其成為了最有發(fā)展前景的新型無(wú)機(jī)材料,為很多相關(guān)行業(yè)的發(fā)展提供了優(yōu)質(zhì)材料基礎(chǔ)以及技術(shù)保障.其所具有的廣闊的商業(yè)前景和經(jīng)濟(jì)價(jià)值,其制備、提純、化學(xué)反應(yīng)、以及性質(zhì)應(yīng)用等方面已成為了科學(xué)研究的熱點(diǎn).本文通過(guò)對(duì)納米二氧化硅制備技術(shù)、制備方法、在各領(lǐng)域表現(xiàn)的優(yōu)越性和特異性的分析進(jìn)一步探究其發(fā)展前景、改性機(jī)理和措施,進(jìn)行了初步分析和探討,具體如下:
納米二氧化硅是納米材料中的重要一員,是一種外形為白色無(wú)定型粉末,無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)污染的非金屬材料,其微結(jié)構(gòu)呈絮狀或網(wǎng)狀的準(zhǔn)顆粒結(jié)構(gòu),為球形.這種特殊的結(jié)構(gòu)使它具有獨(dú)特的性質(zhì):
納米二氧化硅對(duì)波長(zhǎng)490nm以內(nèi)的紫外線反射率高達(dá)70%~80%[2],將其添加在高分子材料中,可以達(dá)到抗紫外線老化和熱老化的目的.
納米二氧化硅的小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)使其產(chǎn)生淤滲作用,可深入到高分子鏈的不飽和鍵附近,并和不飽和鍵的電子云發(fā)生作用,改善高分子材料的熱、光穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性,從而提高產(chǎn)品的抗老化性和耐化學(xué)性[3].
而且其不但具有粒徑小、化學(xué)純度高、分散性好等特異性優(yōu)勢(shì).還具有吸附性強(qiáng)、可塑性良好、同時(shí)具有高磁阻性和低熱導(dǎo)性的優(yōu)勢(shì).
制備二氧化硅的工藝分為干法和濕法兩大類(lèi).干法制備的特點(diǎn)是其產(chǎn)品純度高,而且性能相對(duì)較好,但是其所需設(shè)備要求高投資成本大、而且在生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中能耗大.濕法制備應(yīng)用要求較低,所需原料普遍且價(jià)格低廉,所生產(chǎn)產(chǎn)品純度雖然比干法制備的低,但經(jīng)一系列的化學(xué)反應(yīng)改性后,性能與炭黑接近.無(wú)論是采用干法制備還是濕法制備我們所要達(dá)到的目的是生產(chǎn)出純度高、顆粒小、分散性好的納米二氧化硅產(chǎn)品.
干法制備納米二氧化硅的原料通常使用無(wú)機(jī)硅或者鹵硅烷、氧氣(或空氣)和氫氣,經(jīng)高溫反應(yīng)進(jìn)行制備,得到的是二氧化硅溶膠.本次研究我們采用SiCl4、CH3SiCl3做為例子,反應(yīng)式為:
這也是干法中常用的原料,通常還可以采用硅砂、焦炭電孤加熱的方法、有機(jī)硅化合物熱分解法等等.主要的制備工藝流程為:將以上有機(jī)硅化合物與空氣、氫氣進(jìn)行充分混合后,在高溫情況下水解,水解完全后再進(jìn)行分離,將大的凝焦顆粒分離出來(lái),脫酸得到氣相的二氧化硅,反應(yīng)式為:
濕法制備納米SiO2一般分為沉淀法[4]、凝膠法以及水解法.生產(chǎn)中最常使用的方法是沉淀法.沉淀法即濕法,是可溶性硅酸鹽在酸性環(huán)境中被分解,所得產(chǎn)物中二氧化硅不溶.化學(xué)反應(yīng)式為:
在濕法制備工藝中還有溶膠―凝膠法.該方法是把硅酸酯、無(wú)水乙醇按照計(jì)算的摩爾比充分均勻混合制成混合溶液,在攪拌的同時(shí)緩慢注入一定量的去離子水后,調(diào)節(jié)pH值,加入表面活性劑,室溫下攪拌/陳化制得凝膠,經(jīng)干燥得到納米二氧化硅粉體.有相關(guān)研究表明正硅酸乙酯使用堿做催化劑進(jìn)行水解聚合反應(yīng)所制備的納米二氧化硅能在常溫下快速反應(yīng),簡(jiǎn)單易行且所得產(chǎn)品粒徑小分布均勻[5].
隨著納米二氧化硅在各個(gè)行業(yè)的廣泛應(yīng)用,其研究和制備方法的更新正日益發(fā)展,故此新的合成手段和材料也將不斷的涌現(xiàn)出來(lái).
表1 納米SiO2的主要技術(shù)指標(biāo)[6]
做為新型無(wú)機(jī)非金屬材料納米二氧化硅的表面表現(xiàn)為親水性,根據(jù)相似相溶原理,導(dǎo)致其與無(wú)機(jī)物配合時(shí)兼容性好,與有機(jī)物配合時(shí)表現(xiàn)差.當(dāng)其與有機(jī)物混合時(shí)配合率低、難分散.為了增強(qiáng)其與有機(jī)物的兼容性,故對(duì)其進(jìn)行表面改性.對(duì)納米二氧化硅的表面改性主要分為熱處理方法和化學(xué)改性兩種.二氧化硅的表面改性對(duì)其表面的羥基進(jìn)行處理,使其發(fā)生反應(yīng)以減少納米二氧化硅表面的親水基團(tuán)硅醇基的量,使其由親水為主變?yōu)槭杷疄橹鱗7].
做為納米二氧化硅表面改性的主要手段之一,經(jīng)過(guò)熱處理后二氧化硅的表面親水性降低,吸濕能力下降,與其他無(wú)機(jī)親水性物質(zhì)兼容性也會(huì)下降,與有機(jī)物的兼容性增強(qiáng),混合后分散性增強(qiáng).此方法的應(yīng)用較為簡(jiǎn)便且花費(fèi)少經(jīng)濟(jì).但是其對(duì)改善填充時(shí)界面的粘合性效果不好,因?yàn)榻?jīng)過(guò)高溫加熱由氫鍵締合的相鄰羥基發(fā)生分子內(nèi)脫水使的羥基減少.因此在實(shí)際應(yīng)用中,常用含鋅化合物對(duì)納米二氧化硅處理后在進(jìn)行熱處理.
為有效提高聚合物親和性以及反應(yīng)活性,常常對(duì)納米二氧化硅表面進(jìn)行處理,由于其表面存在的活性硅醇基能與有機(jī)硅烷或者低碳醇、脂肪酸等有機(jī)物反應(yīng),所產(chǎn)生基團(tuán)具有多親油性,可以提高親和性和表面活性.
由于納米二氧化硅具有吸附性強(qiáng)、可塑性良好、同時(shí)具有高磁阻性和低熱導(dǎo)性.已被廣泛應(yīng)用于電子冶金、航空航天以及醫(yī)藥衛(wèi)生行業(yè).而且因?yàn)槠淞叫?、化學(xué)純度高、分散性好等特異性優(yōu)勢(shì),使得其成為了最有發(fā)展前景的新型無(wú)機(jī)材料.為很多相關(guān)行業(yè)的發(fā)展提供了優(yōu)質(zhì)材料基礎(chǔ)以及技術(shù)保障.其微結(jié)構(gòu)為球形以絮狀或網(wǎng)狀的準(zhǔn)顆粒狀,外形為白色無(wú)定型粉末, 無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)污染.它具有光學(xué)性能、抗老化性、耐化學(xué)腐蝕等化學(xué)特性.而且其具有粒徑小、化學(xué)純度高、分散性好等特異性優(yōu)勢(shì).其還具有吸附性強(qiáng)、可塑性良好、同時(shí)具有高磁阻性和低熱導(dǎo)性的優(yōu)勢(shì).
納米二氧化硅具有很好的生理惰性、吸附性強(qiáng)、可塑性良好,抗老化性、耐化學(xué)腐蝕等化學(xué)特性.無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)污染.因此在殺菌劑制備時(shí)可用作載體.將納米抗菌粉應(yīng)用于搪瓷釉料中,可生產(chǎn)出能夠高效防霉、抗菌的洗衣機(jī).如將納米抗菌粉與內(nèi)墻涂料混合使用,可起到長(zhǎng)久抗菌防霉功效[8].時(shí)代在進(jìn)步,人們的健康意識(shí)不斷增強(qiáng),因此納米抗菌粉將在醫(yī)療衛(wèi)生、建材、家電、化工纖維以及塑料制品等行業(yè)日益發(fā)展壯大.
納米二氧化硅作為新型光纖材料能有效降低能量損耗.經(jīng)過(guò)熱處理后的納米二氧化硅光纖材料對(duì)光的波長(zhǎng)在600納米以上的傳輸損耗小于10dB/km.納米微粒的膜材料在燈泡工業(yè)上有很好的應(yīng)用前景.用納米二氧化硅微粒制成的多層干涉膜,襯在燈泡罩的內(nèi)壁,不但有好的透光率同時(shí)具有很強(qiáng)的紅外線反射能力.與傳統(tǒng)使用的鹵素?zé)粝啾?,其使用壽命更長(zhǎng),發(fā)光的效率也更高.
隨著社會(huì)、科技的發(fā)展,納米二氧化硅應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,新的制備納米二氧化硅的方法日益增加.目前全球?qū){米二氧化硅的生產(chǎn)制備仍處于初級(jí)階段,有許多類(lèi)似于納米二氧化硅的團(tuán)聚問(wèn)題、分散均勻問(wèn)題、成本降低問(wèn)題等等需要進(jìn)一步解決.故此尋找更合理更經(jīng)濟(jì)的制備納米二氧化硅的方法對(duì)于科技的發(fā)展和應(yīng)用價(jià)值的提高有著重要的意義.人們雖然在很多領(lǐng)域開(kāi)始應(yīng)用納米二氧化硅,但是由于其性質(zhì)、純度等特性其應(yīng)用領(lǐng)域的開(kāi)放還會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大.
總之,在納米二氧化硅研究方面我國(guó)科學(xué)家已取得很大進(jìn)展和成果,根據(jù)其特性也將在未來(lái)的科技發(fā)展中得到更好的應(yīng)用和開(kāi)發(fā).
〔1〕羅花娟,趙彥保.中空SiO2納米微球的制備與表征[J].化學(xué)研究,2010(06).
〔2〕李新勇,王玉新,鞠曉東,等.量子限域納米半導(dǎo)體上低碳烷烴的光助催化氧化 [J].渤海大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版),2006(03).
〔3〕陳麗娟.納米材料修飾電極在電化學(xué)分析中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].化學(xué)研究,2010(05).
〔4〕韓靜香,余利娟,翟立新,等.化學(xué)沉淀法制備納米二氧化硅[J].硅酸鹽通報(bào),2010(03).
〔5〕張淑云.無(wú)水二氧化硅的制造方法[J].無(wú)機(jī)鹽工業(yè),1993,(03).
〔6〕趙麗,余家國(guó),程蓓,等.單分散二氧化硅球形顆粒的制備與形成機(jī)理[J].化學(xué)學(xué)報(bào),2003(04).
〔7〕劉萍,李新勇,方寧,等.TiO2納米管的改性及光助催化性能研究[J].渤海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006(03).
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赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)·自然科學(xué)版2013年5期