張吉武

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1 氣相二氧化硅的制備方法

在制備氣相二氧化硅時，需要制備人員對氣相二氧化硅的原材料進(jìn)行分析，主要為鹵硅烷、四氟化硅以及甲基三氯化硅等，根據(jù)上述物質(zhì)的性質(zhì)，確定制備方法。在制備過程中，需要將鹵硅烷放置在氫氣環(huán)境中進(jìn)行充分的燃燒，隨后進(jìn)行水解，制備人員提煉水解中的二氧化硅粒子，并經(jīng)過一系列的操作，包括驟冷、聚集、分離以及脫酸等，最終得到氣相二氧化硅。

在上世紀(jì)中期，制備氣相二氧化硅時，主要使用四氯化硅，該原料只需簡單的制備方法，即可獲得氣相二氧化硅，但是需要花費(fèi)較高的成本。在有機(jī)硅單體技術(shù)發(fā)展過程中，該技術(shù)用于制備氣相二氧化硅時，會產(chǎn)生甲基三氯硅烷等副產(chǎn)物，即便控制制備成本，但是質(zhì)量無法滿足使用標(biāo)準(zhǔn)。在上世紀(jì)八十年代開始，研究人員利用制備過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，將副產(chǎn)物與四氯化硅進(jìn)行混合，即可得到成本更低的氣相二氧化硅，并且操作較為簡單[1]。

在氣相二氧化硅制備過程中，根據(jù)制備原理，依照化學(xué)公式SiCl4+2H2+O2=SiO2+H2O+4HCl、CH3SiCl3+2H2+3O2=SiO2+3HC l+CO2+2H2O。上述化學(xué)反應(yīng)作為制備氣相二氧化硅的新方法，可以使有機(jī)硅單體和氣相二氧化硅，在連續(xù)的制備過程中獲得，從而提高副產(chǎn)物的利用率。在制備期間產(chǎn)生的副產(chǎn)物，與有機(jī)硅單體繼續(xù)反應(yīng)。硅元素與氯甲烷反應(yīng)后，會產(chǎn)生二甲基二氯硅烷和甲基三氯硅烷，二甲基三氯硅烷繼續(xù)反應(yīng)，最終得到氣相二氧化硅，氣相二氧化硅可以投入到生產(chǎn)硅橡膠等有機(jī)硅產(chǎn)品。此外根據(jù)上述制備過程，生產(chǎn)氣相二氧化硅的企業(yè)，需要與大型有機(jī)硅單體公司建立長期的合作關(guān)系，才能提高生產(chǎn)效率，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 氣相二氧化硅的性質(zhì)

2.1 氣相二氧化硅的結(jié)構(gòu)

氣相二氧化硅具有無定性氧化物性質(zhì)，在制備過程中，將有機(jī)鹵硅烷物質(zhì)放入到氫環(huán)境中高溫燃燒，隨后進(jìn)行水解后，會產(chǎn)生粒徑在7-40nm范圍內(nèi)的粒子，該粒子在熱分子運(yùn)動狀態(tài)下，在遠(yuǎn)離火源的過程中聚集成氣相二氧化硅，此時的粒子組成的形態(tài)具有不規(guī)則特點(diǎn)，通常以支鏈型結(jié)構(gòu)為主，同時粒子在相互作用后，不斷增強(qiáng)氣相二氧化硅聚集能力，氣相二氧化硅 不會受到外力的作用而發(fā)生變化。

2.2 氣相二氧化硅的表面性質(zhì)

組成氣相二氧化硅的原生粒子，在聚集過程中，其表面性質(zhì)主要參考液氮BET表面積中粒子大小為參考依據(jù)?，F(xiàn)階段在對液氮BET表面積粒子進(jìn)行分析時，通常按照產(chǎn)品的牌號，比較不同牌號粒徑大小，以便確定表面性質(zhì)。通常情況下，氣相二氧化硅的表面積，會在每克100-400平方米范圍內(nèi)。此外氣相二氧化硅若由鹵化硅烷原料制備，進(jìn)入到水解環(huán)節(jié)，羥基聚集在氣相二氧化硅表面，該物質(zhì)會影響到氣相二氧化硅的表面性質(zhì)，并且將水解溫度提升至850℃時，才能去除該物質(zhì)。

在氣相二氧化硅的表面，會由以下結(jié)構(gòu)組成，包括硅氧基、孤立羥基、鄰位羥基以及雙重羥基。在對有機(jī)硅烷進(jìn)行處理時，需要將ClSiR基團(tuán)轉(zhuǎn)變?yōu)镾iRCl。在對醇類處理時，SiOH會與ROH反應(yīng)，反應(yīng)后生成水和SiOR。在對胺類進(jìn)行處理時，SiOH物質(zhì)反應(yīng)后，最終生成SiONRRR和水。

2.3 氣相二氧化硅的表面處理

在氣相二氧化硅的表面，會存在較多的硅羥基，硅羥基具有較強(qiáng)的吸水性，氣相二氧化硅在使用過程中，會吸收周圍環(huán)境的水分，無法發(fā)揮氣相二氧化硅的防水作用。此外由于表面存在硅羥基，無法與硅橡膠中的氧氫結(jié)合，在無法結(jié)合的狀態(tài)下，氣相二氧化硅會使橡膠的結(jié)構(gòu)性狀態(tài)更加明顯。所以在對氣相二氧化硅的表面處理時，首先進(jìn)行疏水處理，使表面的有機(jī)物和硅羥基，通過反應(yīng)建立化學(xué)鍵，在化學(xué)鍵的建立過程中，硅羥基數(shù)量不斷減少，有效提升氣相二氧化硅的相容性。現(xiàn)階段在工業(yè)生產(chǎn)過程中，對表面進(jìn)行處理時，使用二甲基二氯硅烷、三甲基氯烷等處理劑，通常會與硅羥基反應(yīng)[2]。

早期使用的處理方法，以間歇式方法為主，盡管該方法操作簡單，但是無法提高處理質(zhì)量，同時會消耗較多的處理劑，造成表面處理成本不斷提高。許多國家在處理氣相二氧化硅的表面時，采用連續(xù)化在線處理方法，在氣相二氧化硅制備的同時，加入表面處理劑與硅羥基進(jìn)行反應(yīng)，不僅提高處理效率，還能降低成本，避免硅羥基等物質(zhì)產(chǎn)生的污染物破壞生態(tài)環(huán)境。

2.4 氣相二氧化硅的其他性質(zhì)

提高氣相二氧化硅制備純度，需要使用純度較高的原料，并且在制備期間，在密閉性的環(huán)境中進(jìn)行，避免雜質(zhì)進(jìn)入影響制備純度。高純度的氣相二氧化硅中，二氧化硅含量在99．8%以上，并且折光率為1．46，此時氣相二氧化硅具備良好的導(dǎo)電功能。

3 氣相二氧化硅的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)

在氣相二氧化硅制備過程中，制備的氣相二氧化硅需要按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)。現(xiàn)階段產(chǎn)品檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)ISO3262-20:2000標(biāo)準(zhǔn)，一方面明確氣相二氧化硅的制備標(biāo)準(zhǔn)，另一方面明確產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。此外在氣相二氧化硅應(yīng)用在不同領(lǐng)域時，都需要依照不同的標(biāo)準(zhǔn)。以軍工領(lǐng)域制備氣相二氧化硅為例，軍工領(lǐng)域的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要高于民用產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，而民用標(biāo)準(zhǔn)都會由企業(yè)自行制定。所以規(guī)范氣相二氧化硅產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，需要更多的企業(yè)參與，如廣州某企業(yè)制定的氣相二氧化硅產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，基于ISO3262-20：2000標(biāo)準(zhǔn)的同時，經(jīng)過不斷的優(yōu)化和完善，已經(jīng)滿足各領(lǐng)域使用氣相二氧化硅產(chǎn)品的需求。我國正在積極的制定氣相二氧化硅產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，為推動我國氣相二氧化硅發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[3]。

4 結(jié)語

綜上所述，氣相二氧化硅的應(yīng)用范圍十分廣泛，包括農(nóng)業(yè)、食品等生產(chǎn)的塑料、橡膠等，運(yùn)用科學(xué)合理的方法制備氣相二氧化硅，并且制定完善的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，既能提高氣相二氧化硅的制備水平，還能滿足我國各領(lǐng)域的應(yīng)用需求，從而推動我國各領(lǐng)域快速發(fā)展，創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。