納米二氧化硅的制備及表面改性的研究

王維

摘要：納米二氧化硅與其他聚合物混合成復合材料后不僅能集合兩種材料的性能，還會產生一些復合性能，因此被廣泛應用于涂料、黏合劑、塑料和阻燃材料等的生產中。下面將簡單介紹一種納米二氧化硅的制備方法，并將硅烷偶聯劑KH-550、鈦酸酯偶聯劑NDZ-201應用到納米二氧化硅的表面改性中，通過實驗分析改性結果。

關鍵詞：納米二氧化硅；硅烷偶聯劑；鈦酸酯偶聯劑；改性效果

中圖分類號：TB383.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095－6835（2014）09－0060－02

1納米二氧化硅的制備

納米二氧化硅是當前工業生產中產量最高的一種納米粉體材料，具有優良的光學性能、光催化性能和流變性，同時還具有很強的無機增韌增強功能，因此被廣泛應用于復合材料、顏料、陶瓷、黏合劑、化妝品、抗菌顏料等領域。

常用的制備方法有氣相法、沉淀法、微乳液法、溶膠-凝膠法。氣相法要運用到的原材是氧氣、氫氣和有機鹵硅烷，在高溫環境下就可以制備出納米二氧化硅，其化學反應式為：SiCl4＋（n＋2）H2＋（n/2＋1）O2—＋SiO2′?nH2O＋4HCI.用這種方法制備出來的納米二氧化硅純度高、分散度好、粒徑小，但制備過程中會造成嚴重的資源消耗，成本較高。類似的方法還有有機硅化合物分解法：將有機硅化合物、氫氣和空氣均勻混合起來，在高溫環境下水解，然后利用分離器分離出大的凝集顆粒，最后進行脫酸處理，制備氣相納米二氧化硅。

2表面改性實驗

納米二氧化硅的表面能高，容易聚集成團，很難與有機物充分混合起來，再加上其表面親水疏油，難以在有機介質中均勻分散，會影響填充效果，因此對其進行表面改性處理是非常必要的。下面就利用硅烷偶聯劑KH-550、鈦酸酯偶聯劑NDZ-201作為改性劑對二氧化硅進行表面改性處理。

利用硅烷偶聯劑KH-550改性納米二氧化硅，具體步驟是：①用電子天平秤取一定量的干燥納米二氧化硅，往其中加入適量的甲苯，并將其放置到有冷凝管的三口瓶中均勻攪拌，使納米二氧化硅與甲苯充分混合。②加入適量的硅烷偶聯劑KH-550，并加熱，使其恒溫回流一段時間。③抽濾。用無水乙醇洗滌三次，烘干后得到表面改性的納米二氧化硅。

利用鈦酸酯偶聯劑NDZ-201改性納米二氧化硅。先將一定量的納米二氧化硅放置到烘箱中干燥24 h，然后裝入三口瓶中，加入甲苯和鈦酸酯偶聯劑NDZ-201，攪拌均勻后加熱，加熱至指定溫度后，進行回流、抽濾、洗滌和干燥，最終得到改性后的納米二氧化硅。

對改性后的納米二氧化硅進行親油化度和吸水量的測試，并將這兩個指標作為改性效果的主要評判指標。

3實驗結果

3.1不同改性劑的改性效果對比

表1不同改性劑的改性效果對比

改性劑 硅烷偶聯劑KH-550 鈦酸酯偶聯劑NDZ-201

用量/% 4 4

溫度/℃ 2 1

時間/h 110 110

親油化度/% 58.33 56.02

吸水率/% 3.02 4.82

以硅烷偶聯劑KH-550、鈦酸酯偶聯劑NDZ-201為改性劑進行表面改性實驗，檢測改性后的納米二氧化硅的親油化度和吸水率，如表1所示。從表1中可以看出，硅烷偶聯劑KH-550、鈦酸酯偶聯劑NDZ-201的親油化度差別不大，但硅烷偶聯劑KH-550的表面修飾效果更好，因此選用硅烷偶聯劑KH-550為改性劑能取得較好的表面改性效果。

3.2反應條件對改性效果的影響

3.2.1改性劑用量

納米二氧化硅是親水材料，改性后是親油疏水，也就是說，親油化度越大，吸水率越小，改性效果也就越好。將改性劑用量分成1%，2%，3%，4%，5%，6%，分別進行6次改性實驗，然后再將改性結果繪制成曲線圖，來表示改性劑用量與親油化度和吸水率之間的關系。隨著硅烷偶聯劑KH-550改性劑用量的增加，親油化度迅速上升，接著又有所下降；吸水率則是先下降后有些微上升。這說明隨著改性劑用量的增加，改性效果有顯著增強，但當改性劑添加到一定量后，改性效果變化不大，甚至會隨著改性劑用量的增加而有些輕微的降低。從這個實驗中可以得出，當改性劑分量過少時，改性效果不明顯；當改性劑分量過多時，部分改性劑會附著于納米材料表面，增加后處理難度；只有當硅烷偶聯劑KH-550添加量為4%時，改性效果最好，此時的親油化度最高，吸水率最低。

3.2.2改性溫度

合適的溫度能為改性劑和納米材料提供優良的反應環境，促進改性劑與納米二氧化硅表面的羥基結合。溫度過高會導致改性劑自身發生自聚或自散反應，影響改性效果。當改性溫度從80 ℃逐漸上升到110 ℃時，改性效果呈現上升狀態；當溫度超過110 ℃后，改性效果開始下降，所以應將改性溫度控制在110 ℃為佳。

3.2.3改性時間

從改性時間與親油化度和吸水率的關系圖中可以看出，改性時間在0.5～2 h這段期間，親油化度明顯提高、吸水率降低；隨著改性時間的增加，改性效果也有顯著增強；當改性時間超過2 h時，改性效果變化不大，甚至稍有下降。由此可見，最佳改性時間為2 h。

3.3分散穩定性實驗

取一定量改性后的納米二氧化硅和甲苯置于三口瓶中攪拌均勻，然后滴2滴質量分數為2%的甲基紅指示劑。在另外一個三口瓶中放入未改性的納米二氧化硅和甲苯，充分攪勻，然后滴2滴質量分數為2%的甲基紅指示劑。將這兩個三口瓶靜置一段時間，觀察其變化。結果發現，未改性的納米二氧化硅三口瓶中的納米材料沉淀到瓶底并呈粉紅色，改性后的納米二氧化硅材料則分散在甲苯溶液中，溶液呈黃色。由此可得出：未改性的納米二氧化硅材料具有顯弱酸性，無法均勻地分布到甲苯溶液中，且其表面有羥基，所以沉淀瓶底后呈粉紅色。

4 結束語硅烷偶聯劑KH-550、鈦酸酯偶聯劑NDZ-201在納米二氧化硅材料的表面改性中具有廣泛的應用，且前者的改性效果優于后者。把硅烷偶聯劑KH-550作為改性劑時，要控制好改性劑用量、改性溫度和改性時間，這樣才能取得最佳改性效果。參考文獻［1］李延潔.納米二氧化硅的制備及表面改進的研究［D］.蘇州：蘇州大學，2011. 〔編輯：王霞〕Preparation and Surface Modification of Nano-silicaWang WeiAbstract: Nano-silica mixed with other polymers into composite materials not only a collection of properties after two materials, but also produce some composite performance, it is widely used in the production of coatings, adhesives, plastics and flame retardant materials, etc. the. The following briefly describes a method for preparing nano-silica and silane coupling agent KH-550, titanate coupling agent NDZ-201 is applied to the surface modification of nano-silica, modified by experimental analysis results. Key words: nano-silica; silane coupling agent; titanate coupling agent; modification effect

摘要：納米二氧化硅與其他聚合物混合成復合材料后不僅能集合兩種材料的性能，還會產生一些復合性能，因此被廣泛應用于涂料、黏合劑、塑料和阻燃材料等的生產中。下面將簡單介紹一種納米二氧化硅的制備方法，并將硅烷偶聯劑KH-550、鈦酸酯偶聯劑NDZ-201應用到納米二氧化硅的表面改性中，通過實驗分析改性結果。

關鍵詞：納米二氧化硅；硅烷偶聯劑；鈦酸酯偶聯劑；改性效果

中圖分類號：TB383.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095－6835（2014）09－0060－02

1納米二氧化硅的制備

納米二氧化硅是當前工業生產中產量最高的一種納米粉體材料，具有優良的光學性能、光催化性能和流變性，同時還具有很強的無機增韌增強功能，因此被廣泛應用于復合材料、顏料、陶瓷、黏合劑、化妝品、抗菌顏料等領域。

常用的制備方法有氣相法、沉淀法、微乳液法、溶膠-凝膠法。氣相法要運用到的原材是氧氣、氫氣和有機鹵硅烷，在高溫環境下就可以制備出納米二氧化硅，其化學反應式為：SiCl4＋（n＋2）H2＋（n/2＋1）O2—＋SiO2′?nH2O＋4HCI.用這種方法制備出來的納米二氧化硅純度高、分散度好、粒徑小，但制備過程中會造成嚴重的資源消耗，成本較高。類似的方法還有有機硅化合物分解法：將有機硅化合物、氫氣和空氣均勻混合起來，在高溫環境下水解，然后利用分離器分離出大的凝集顆粒，最后進行脫酸處理，制備氣相納米二氧化硅。

2表面改性實驗

納米二氧化硅的表面能高，容易聚集成團，很難與有機物充分混合起來，再加上其表面親水疏油，難以在有機介質中均勻分散，會影響填充效果，因此對其進行表面改性處理是非常必要的。下面就利用硅烷偶聯劑KH-550、鈦酸酯偶聯劑NDZ-201作為改性劑對二氧化硅進行表面改性處理。

利用硅烷偶聯劑KH-550改性納米二氧化硅，具體步驟是：①用電子天平秤取一定量的干燥納米二氧化硅，往其中加入適量的甲苯，并將其放置到有冷凝管的三口瓶中均勻攪拌，使納米二氧化硅與甲苯充分混合。②加入適量的硅烷偶聯劑KH-550，并加熱，使其恒溫回流一段時間。③抽濾。用無水乙醇洗滌三次，烘干后得到表面改性的納米二氧化硅。

利用鈦酸酯偶聯劑NDZ-201改性納米二氧化硅。先將一定量的納米二氧化硅放置到烘箱中干燥24 h，然后裝入三口瓶中，加入甲苯和鈦酸酯偶聯劑NDZ-201，攪拌均勻后加熱，加熱至指定溫度后，進行回流、抽濾、洗滌和干燥，最終得到改性后的納米二氧化硅。

對改性后的納米二氧化硅進行親油化度和吸水量的測試，并將這兩個指標作為改性效果的主要評判指標。

3實驗結果

3.1不同改性劑的改性效果對比

表1不同改性劑的改性效果對比

改性劑 硅烷偶聯劑KH-550 鈦酸酯偶聯劑NDZ-201

用量/% 4 4

溫度/℃ 2 1

時間/h 110 110

親油化度/% 58.33 56.02

吸水率/% 3.02 4.82

以硅烷偶聯劑KH-550、鈦酸酯偶聯劑NDZ-201為改性劑進行表面改性實驗，檢測改性后的納米二氧化硅的親油化度和吸水率，如表1所示。從表1中可以看出，硅烷偶聯劑KH-550、鈦酸酯偶聯劑NDZ-201的親油化度差別不大，但硅烷偶聯劑KH-550的表面修飾效果更好，因此選用硅烷偶聯劑KH-550為改性劑能取得較好的表面改性效果。

3.2反應條件對改性效果的影響

3.2.1改性劑用量

納米二氧化硅是親水材料，改性后是親油疏水，也就是說，親油化度越大，吸水率越小，改性效果也就越好。將改性劑用量分成1%，2%，3%，4%，5%，6%，分別進行6次改性實驗，然后再將改性結果繪制成曲線圖，來表示改性劑用量與親油化度和吸水率之間的關系。隨著硅烷偶聯劑KH-550改性劑用量的增加，親油化度迅速上升，接著又有所下降；吸水率則是先下降后有些微上升。這說明隨著改性劑用量的增加，改性效果有顯著增強，但當改性劑添加到一定量后，改性效果變化不大，甚至會隨著改性劑用量的增加而有些輕微的降低。從這個實驗中可以得出，當改性劑分量過少時，改性效果不明顯；當改性劑分量過多時，部分改性劑會附著于納米材料表面，增加后處理難度；只有當硅烷偶聯劑KH-550添加量為4%時，改性效果最好，此時的親油化度最高，吸水率最低。

3.2.2改性溫度

合適的溫度能為改性劑和納米材料提供優良的反應環境，促進改性劑與納米二氧化硅表面的羥基結合。溫度過高會導致改性劑自身發生自聚或自散反應，影響改性效果。當改性溫度從80 ℃逐漸上升到110 ℃時，改性效果呈現上升狀態；當溫度超過110 ℃后，改性效果開始下降，所以應將改性溫度控制在110 ℃為佳。

3.2.3改性時間

從改性時間與親油化度和吸水率的關系圖中可以看出，改性時間在0.5～2 h這段期間，親油化度明顯提高、吸水率降低；隨著改性時間的增加，改性效果也有顯著增強；當改性時間超過2 h時，改性效果變化不大，甚至稍有下降。由此可見，最佳改性時間為2 h。

3.3分散穩定性實驗

取一定量改性后的納米二氧化硅和甲苯置于三口瓶中攪拌均勻，然后滴2滴質量分數為2%的甲基紅指示劑。在另外一個三口瓶中放入未改性的納米二氧化硅和甲苯，充分攪勻，然后滴2滴質量分數為2%的甲基紅指示劑。將這兩個三口瓶靜置一段時間，觀察其變化。結果發現，未改性的納米二氧化硅三口瓶中的納米材料沉淀到瓶底并呈粉紅色，改性后的納米二氧化硅材料則分散在甲苯溶液中，溶液呈黃色。由此可得出：未改性的納米二氧化硅材料具有顯弱酸性，無法均勻地分布到甲苯溶液中，且其表面有羥基，所以沉淀瓶底后呈粉紅色。

4 結束語硅烷偶聯劑KH-550、鈦酸酯偶聯劑NDZ-201在納米二氧化硅材料的表面改性中具有廣泛的應用，且前者的改性效果優于后者。把硅烷偶聯劑KH-550作為改性劑時，要控制好改性劑用量、改性溫度和改性時間，這樣才能取得最佳改性效果。參考文獻［1］李延潔.納米二氧化硅的制備及表面改進的研究［D］.蘇州：蘇州大學，2011. 〔編輯：王霞〕Preparation and Surface Modification of Nano-silicaWang WeiAbstract: Nano-silica mixed with other polymers into composite materials not only a collection of properties after two materials, but also produce some composite performance, it is widely used in the production of coatings, adhesives, plastics and flame retardant materials, etc. the. The following briefly describes a method for preparing nano-silica and silane coupling agent KH-550, titanate coupling agent NDZ-201 is applied to the surface modification of nano-silica, modified by experimental analysis results. Key words: nano-silica; silane coupling agent; titanate coupling agent; modification effect

摘要：納米二氧化硅與其他聚合物混合成復合材料后不僅能集合兩種材料的性能，還會產生一些復合性能，因此被廣泛應用于涂料、黏合劑、塑料和阻燃材料等的生產中。下面將簡單介紹一種納米二氧化硅的制備方法，并將硅烷偶聯劑KH-550、鈦酸酯偶聯劑NDZ-201應用到納米二氧化硅的表面改性中，通過實驗分析改性結果。

關鍵詞：納米二氧化硅；硅烷偶聯劑；鈦酸酯偶聯劑；改性效果

中圖分類號：TB383.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095－6835（2014）09－0060－02

1納米二氧化硅的制備

納米二氧化硅是當前工業生產中產量最高的一種納米粉體材料，具有優良的光學性能、光催化性能和流變性，同時還具有很強的無機增韌增強功能，因此被廣泛應用于復合材料、顏料、陶瓷、黏合劑、化妝品、抗菌顏料等領域。

常用的制備方法有氣相法、沉淀法、微乳液法、溶膠-凝膠法。氣相法要運用到的原材是氧氣、氫氣和有機鹵硅烷，在高溫環境下就可以制備出納米二氧化硅，其化學反應式為：SiCl4＋（n＋2）H2＋（n/2＋1）O2—＋SiO2′?nH2O＋4HCI.用這種方法制備出來的納米二氧化硅純度高、分散度好、粒徑小，但制備過程中會造成嚴重的資源消耗，成本較高。類似的方法還有有機硅化合物分解法：將有機硅化合物、氫氣和空氣均勻混合起來，在高溫環境下水解，然后利用分離器分離出大的凝集顆粒，最后進行脫酸處理，制備氣相納米二氧化硅。

2表面改性實驗

納米二氧化硅的表面能高，容易聚集成團，很難與有機物充分混合起來，再加上其表面親水疏油，難以在有機介質中均勻分散，會影響填充效果，因此對其進行表面改性處理是非常必要的。下面就利用硅烷偶聯劑KH-550、鈦酸酯偶聯劑NDZ-201作為改性劑對二氧化硅進行表面改性處理。

利用硅烷偶聯劑KH-550改性納米二氧化硅，具體步驟是：①用電子天平秤取一定量的干燥納米二氧化硅，往其中加入適量的甲苯，并將其放置到有冷凝管的三口瓶中均勻攪拌，使納米二氧化硅與甲苯充分混合。②加入適量的硅烷偶聯劑KH-550，并加熱，使其恒溫回流一段時間。③抽濾。用無水乙醇洗滌三次，烘干后得到表面改性的納米二氧化硅。

利用鈦酸酯偶聯劑NDZ-201改性納米二氧化硅。先將一定量的納米二氧化硅放置到烘箱中干燥24 h，然后裝入三口瓶中，加入甲苯和鈦酸酯偶聯劑NDZ-201，攪拌均勻后加熱，加熱至指定溫度后，進行回流、抽濾、洗滌和干燥，最終得到改性后的納米二氧化硅。

對改性后的納米二氧化硅進行親油化度和吸水量的測試，并將這兩個指標作為改性效果的主要評判指標。

3實驗結果

3.1不同改性劑的改性效果對比

表1不同改性劑的改性效果對比

改性劑 硅烷偶聯劑KH-550 鈦酸酯偶聯劑NDZ-201

用量/% 4 4

溫度/℃ 2 1

時間/h 110 110

親油化度/% 58.33 56.02

吸水率/% 3.02 4.82

以硅烷偶聯劑KH-550、鈦酸酯偶聯劑NDZ-201為改性劑進行表面改性實驗，檢測改性后的納米二氧化硅的親油化度和吸水率，如表1所示。從表1中可以看出，硅烷偶聯劑KH-550、鈦酸酯偶聯劑NDZ-201的親油化度差別不大，但硅烷偶聯劑KH-550的表面修飾效果更好，因此選用硅烷偶聯劑KH-550為改性劑能取得較好的表面改性效果。

3.2反應條件對改性效果的影響

3.2.1改性劑用量

納米二氧化硅是親水材料，改性后是親油疏水，也就是說，親油化度越大，吸水率越小，改性效果也就越好。將改性劑用量分成1%，2%，3%，4%，5%，6%，分別進行6次改性實驗，然后再將改性結果繪制成曲線圖，來表示改性劑用量與親油化度和吸水率之間的關系。隨著硅烷偶聯劑KH-550改性劑用量的增加，親油化度迅速上升，接著又有所下降；吸水率則是先下降后有些微上升。這說明隨著改性劑用量的增加，改性效果有顯著增強，但當改性劑添加到一定量后，改性效果變化不大，甚至會隨著改性劑用量的增加而有些輕微的降低。從這個實驗中可以得出，當改性劑分量過少時，改性效果不明顯；當改性劑分量過多時，部分改性劑會附著于納米材料表面，增加后處理難度；只有當硅烷偶聯劑KH-550添加量為4%時，改性效果最好，此時的親油化度最高，吸水率最低。

3.2.2改性溫度

合適的溫度能為改性劑和納米材料提供優良的反應環境，促進改性劑與納米二氧化硅表面的羥基結合。溫度過高會導致改性劑自身發生自聚或自散反應，影響改性效果。當改性溫度從80 ℃逐漸上升到110 ℃時，改性效果呈現上升狀態；當溫度超過110 ℃后，改性效果開始下降，所以應將改性溫度控制在110 ℃為佳。

3.2.3改性時間

從改性時間與親油化度和吸水率的關系圖中可以看出，改性時間在0.5～2 h這段期間，親油化度明顯提高、吸水率降低；隨著改性時間的增加，改性效果也有顯著增強；當改性時間超過2 h時，改性效果變化不大，甚至稍有下降。由此可見，最佳改性時間為2 h。

3.3分散穩定性實驗

取一定量改性后的納米二氧化硅和甲苯置于三口瓶中攪拌均勻，然后滴2滴質量分數為2%的甲基紅指示劑。在另外一個三口瓶中放入未改性的納米二氧化硅和甲苯，充分攪勻，然后滴2滴質量分數為2%的甲基紅指示劑。將這兩個三口瓶靜置一段時間，觀察其變化。結果發現，未改性的納米二氧化硅三口瓶中的納米材料沉淀到瓶底并呈粉紅色，改性后的納米二氧化硅材料則分散在甲苯溶液中，溶液呈黃色。由此可得出：未改性的納米二氧化硅材料具有顯弱酸性，無法均勻地分布到甲苯溶液中，且其表面有羥基，所以沉淀瓶底后呈粉紅色。

4 結束語硅烷偶聯劑KH-550、鈦酸酯偶聯劑NDZ-201在納米二氧化硅材料的表面改性中具有廣泛的應用，且前者的改性效果優于后者。把硅烷偶聯劑KH-550作為改性劑時，要控制好改性劑用量、改性溫度和改性時間，這樣才能取得最佳改性效果。參考文獻［1］李延潔.納米二氧化硅的制備及表面改進的研究［D］.蘇州：蘇州大學，2011. 〔編輯：王霞〕Preparation and Surface Modification of Nano-silicaWang WeiAbstract: Nano-silica mixed with other polymers into composite materials not only a collection of properties after two materials, but also produce some composite performance, it is widely used in the production of coatings, adhesives, plastics and flame retardant materials, etc. the. The following briefly describes a method for preparing nano-silica and silane coupling agent KH-550, titanate coupling agent NDZ-201 is applied to the surface modification of nano-silica, modified by experimental analysis results. Key words: nano-silica; silane coupling agent; titanate coupling agent; modification effect