纳米二氧化硅的研究现状与进展

作者：储艳兰 张 凯

来源：《赤峰学院学报·自然科学版》 2013年第5期

储艳兰1，张 凯2

（1.商丘师范学院 实验室建设与实验设备管理处；2.商丘师范学 院生命科学学院，河南 商丘 476000）

摘 要：通过对纳米二氧化硅制备技术、制备方法、在各领域表现的优越性和特异性的分析对纳米二氧化硅的研究现状与进展进行探讨分析并进一步探究其发展前景.得出纳米二氧化硅无毒、无味、无污染，具有表面能高及其吸附能力强等特异性优点, 是优质的稳定剂和融合剂.在电子、光学、生化科学等都有着广泛的应用.

关键词：纳米二氧化硅；性质；制备；改性；应用

中图分类号：TQ323.4 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2013）03-0122-02

纳米二氧化硅属于无机非金属纳米材料，其粒径大小在1—100nm[1]之间，具有吸附性强、可塑性良好、同时具有高磁阻性和低热导性等特性，已被广泛应用于电子冶金、航空航天以及医药卫生行业.且因其粒径小、化学纯度高、分散性好等特异性优势，使得其成为了最有发展前景的新型无机材料，为很多相关行业的发展提供了优质材料基础以及技术保障.其所具有的广阔的商业前景和经济价值，其制备、提纯、化学反应、以及性质应用等方面已成为了科学研究的热点.本文通过对纳米二氧化硅制备技术、制备方法、在各领域表现的优越性和特异性的分析进一步探究其发展前景、改性机理和措施，进行了初步分析和探讨，具体如下：

1 纳米二氧化硅的性质

纳米二氧化硅是纳米材料中的重要一员，是一种外形为白色无定型粉末,无毒、无味、无污染的非金属材料，其微结构呈絮状或网状的准颗粒结构，为球形.这种特殊的结构使它具有独特的性质：

纳米二氧化硅对波长490nm以内的紫外线反射率高达70%～80%[2]，将其添加在高分子材料中，可以达到抗紫外线老化和热老化的目的.

纳米二氧化硅的小尺寸效应和宏观量子隧道效应使其产生淤渗作用，可深入到高分子链的不饱和键附近，并和不饱和键的电子云发生作用，改善高分子材料的热、光稳定性和化学稳定性，从而提高产品的抗老化性和耐化学性[3].

而且其不但具有粒径小、化学纯度高、分散性好等特异性优势.还具有吸附性强、可塑性良好、同时具有高磁阻性和低热导性的优势.

2 纳米二氧化硅的制备

制备二氧化硅的工艺分为干法和湿法两大类.干法制备的特点是其产品纯度高,而且性能相对较好,但是其所需设备要求高投资成本大、而且在生产实践过程中能耗大.湿法制备应用要求较低，所需原料普遍且价格低廉，所生产产品纯度虽然比干法制备的低，但经一系列的化学反应改性后，性能与炭黑接近.无论是采用干法制备还是湿法制备我们所要达到的目的是生产出纯度高、颗粒小、分散性好的纳米二氧化硅产品.

2.1 干法制备纳米二氧化硅

干法制备纳米二氧化硅的原料通常使用无机硅或者卤硅烷、氧气(或空气)和氢气,经高温反应进行制备，得到的是二氧化硅溶胶.本次研究我们采用SiCl4、CH3SiCl3做为例子,反应式为:

SiCl4+2H2+02→Si02+4HCl

2CH3SiCl3+502+2H2→2Si02+6HCl+2C02+2H20

这也是干法中常用的原料，通常还可以采用硅砂、焦炭电孤加热的方法、有机硅化合物热分解法等等.主要的制备工艺流程为:将以上有机硅化合物与空气、氢气进行充分混合后,在高温情况下水解,水解完全后再进行分离,将大的凝焦颗粒分离出来,脱酸得到气相的二氧化硅,反应式为:

2H2+O2+硅化合物→气相SiO2+4H+

2.2 湿法制备纳米二氧化硅

湿法制备纳米SiO2一般分为沉淀法[4]、凝胶法以及水解法.生产中最常使用的方法是沉淀法.沉淀法即湿法，是可溶性硅酸盐在酸性环境中被分解，所得产物中二氧化硅不溶.化学反应式为：

NaSiO3+2HX—SiO2+2NaX+H2O

在湿法制备工艺中还有溶胶―凝胶法.该方法是把硅酸酯、无水乙醇按照计算的摩尔比充分均匀混合制成混合溶液，在搅拌的同时缓慢注入一定量的去离子水后,调节pH值,加入表面活性剂,室温下搅拌/陈化制得凝胶,经干燥得到纳米二氧化硅粉体.有相关研究表明正硅酸乙酯使用碱做催化剂进行水解聚合反应所制备的纳米二氧化硅能在常温下快速反应，简单易行且所得产品粒径小分布均匀[5].

随着纳米二氧化硅在各个行业的广泛应用，其研究和制备方法的更新正日益发展，故此新的合成手段和材料也将不断的涌现出来.

3 纳米二氧化硅的改性

做为新型无机非金属材料纳米二氧化硅的表面表现为亲水性,根据相似相溶原理，导致其与无机物配合时兼容性好，与有机物配合时表现差.当其与有机物混合时配合率低、难分散.为

了增强其与有机物的兼容性，故对其进行表面改性.对纳米二氧化硅的表面改性主要分为热处理方法和化学改性两种.二氧化硅的表面改性对其表面的羟基进行处理，使其发生反应以减少纳米二氧化硅表面的亲水基团硅醇基的量,使其由亲水为主变为疏水为主[7].

3.1 热处理改性

做为纳米二氧化硅表面改性的主要手段之一，经过热处理后二氧化硅的表面亲水性降低，吸湿能力下降，与其他无机亲水性物质兼容性也会下降，与有机物的兼容性增强，混合后分散性增强.此方法的应用较为简便且花费少经济.但是其对改善填充时界面的粘合性效果不好，因为经过高温加热由氢键缔合的相邻羟基发生分子内脱水使的羟基减少.因此在实际应用中,常用含锌化合物对纳米二氧化硅处理后在进行热处理.

3.2 化学改性

为有效提高聚合物亲和性以及反应活性,常常对纳米二氧化硅表面进行处理,由于其表面存在的活性硅醇基能与有机硅烷或者低碳醇、脂肪酸等有机物反应,所产生基团具有多亲油性，可以提高亲和性和表面活性.

4 纳米二氧化硅的应用

由于纳米二氧化硅具有吸附性强、可塑性良好、同时具有高磁阻性和低热导性.已被广泛应用于电子冶金、航空航天以及医药卫生行业.而且因为其粒径小、化学纯度高、分散性好等特异性优势，使得其成为了最有发展前景的新型无机材料.为很多相关行业的发展提供了优质材料基础以及技术保障.其微结构为球形以絮状或网状的准颗粒状，外形为白色无定型粉末, 无毒、无味、无污染.它具有光学性能、抗老化性、耐化学腐蚀等化学特性.而且其具有粒径小、化学纯度高、分散性好等特异性优势.其还具有吸附性强、可塑性良好、同时具有高磁阻性和低热导性的优势.

4.1 纳米二氧化硅应用于抗菌领域

纳米二氧化硅具有很好的生理惰性、吸附性强、可塑性良好,抗老化性、耐化学腐蚀等化学特性.无毒、无味、无污染.因此在杀菌剂制备时可用作载体.将纳米抗菌粉应用于搪瓷釉料中，可生产出能够高效防霉、抗菌的洗衣机.如将纳米抗菌粉与内墙涂料混合使用，可起到长久抗菌防霉功效[8].时代在进步，人们的健康意识不断增强，因此纳米抗菌粉将在医疗卫生、建材、家电、化工纤维以及塑料制品等行业日益发展壮大.

4.2 纳米二氧化硅应用于光学领域

纳米二氧化硅作为新型光纤材料能有效降低能量损耗.经过热处理后的纳米二氧化硅光纤材料对光的波长在600纳米以上的传输损耗小于10dB／km.纳米微粒的膜材料在灯泡工业上有很好的应用前景.用纳米二氧化硅微粒制成的多层干涉膜，衬在灯泡罩的内壁，不但有好的透光率同时具有很强的红外线反射能力.与传统使用的卤素灯相比，其使用寿命更长，发光的效率也更高.

5 结论

随着社会、科技的发展，纳米二氧化硅应用领域的不断扩大，新的制备纳米二氧化硅的方法日益增加.目前全球对纳米二氧化硅的生产制备仍处于初级阶段，有许多类似于纳米二氧化硅的团聚问题、分散均匀问题、成本降低问题等等需要进一步解决.故此寻找更合理更经济的制

备纳米二氧化硅的方法对于科技的发展和应用价值的提高有着重要的意义.人们虽然在很多领域开始应用纳米二氧化硅，但是由于其性质、纯度等特性其应用领域的开放还会进一步扩大.

总之，在纳米二氧化硅研究方面我国科学家已取得很大进展和成果，根据其特性也将在未来的科技发展中得到更好的应用和开发.

参考文献：

〔1〕罗花娟,赵彦保.中空SiO2纳米微球的制备与表征[J].化学研究,2010(06).

〔2〕李新勇,王玉新,鞠晓东，等.量子限域纳米半导体上低碳烷烃的光助催化氧化[J].渤海大学学报(自然科学版),2006(03).

〔3〕陈丽娟.纳米材料修饰电极在电化学分析中的应用研究进展[J].化学研究,2010(05).

〔4〕韩静香,余利娟,翟立新，等.化学沉淀法制备纳米二氧化硅[J].硅酸盐通报,2010(03).

〔5〕张淑云.无水二氧化硅的制造方法[J].无机盐工业,1993,(03).

〔6〕赵丽,余家国,程蓓，等.单分散二氧化硅球形颗粒的制备与形成机理[J].化学学报,2003(04).

〔7〕刘萍,李新勇,方宁，等.TiO2纳米管的改性及光助催化性能研究[J].渤海大学学报(自然科学版),2006(03).

〔8〕刘新云.纳米材料的应用前景及研究进展[J].安徽化工,2002(05).