納米SiO2的簡單了解和應用

王 凱

(福建省南平市順昌縣金橋學校，福建 南平 353200)

納米SiO2是納米材料中的重要一員，為無定形白色粉末，是一種無毒、無味、無污染的非金屬材料，微觀結構呈絮狀和網狀的準顆粒結構，為球形。具有廣闊的應用前景和巨大的商業價值，并為其他相關工業領域的發展提供了新材料基礎和技術保證，享有“工業味精”，“材料科學的原點”之美譽。自問世以來，已成為當今世界材料學中最能適應時代要求和發展最快的品種之一。

一、 納米SiO2簡介

（一）納米SiO2的微觀結構

納米SiO2的分子結構呈現三維鏈狀結構（或稱三維網狀結構，三維硅石結構等），表面存在不飽和的殘鍵和不同鍵合狀態的羥基，如圖所示。

（二）納米SiO2的性能

1.光學性能

納米SiO2顆粒的小尺寸效應使其具有獨特的光學性能對紫外、紅外和可見光具有極強的反射特性，對波長在280-300 nm的紫外光反射率達80 %以上；對波長在300-800 nm的可見光反射率達85 %以上；對波長在800-1300 nm的紅外光反射率達80 %以上。

2.化學性能

納米SiO2顆粒具有體積效應和量子隧道效應，使其產生游滲功能，可深入到高分子化合物兀鍵的附近與其電子云發生重疊，形成空間網狀結構，從而大幅度提高高分子材料的力學強度、韌性、耐磨性和耐老化性等性能。

二、 納米SiO2顆粒的制備技術

納米SiO2顆粒制備方法分為物理法和化學法。物理法一般指機械粉碎法，利用超氣流粉碎機或高能球磨機對納米SiO2的聚集體進行粉碎，可獲得粒徑為1-5 μm的超細粉體?；瘜W法包括化學氣相法(CVD)、化學沉淀法、溶膠一凝膠法(Sol-Gel)和微乳法等。

（一）溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法就是將金屬醇鹽溶解在有機溶劑中，通過水解聚合反應形成均勻的溶膠(Sol)，進一步反應并失去大部分有機溶劑轉化成凝膠(Gel)，再通過熱處理，制備成膜的化學方法。納米SiO2的顆粒粒徑易受反應物的影響，如水和NH3H20的濃度、硅酸酷的類型、不同的醇、催化劑的種類及不同的溫度等，對這些影響因素的調控，可以獲得各類結構的納米SiO2。該制備方法反應過程如下:

（二）以稻殼為原料制備納米SiO2顆粒

稻殼中制取的白碳黑的質量接近于氣相法所制備的白碳黑，遠高于化學沉淀法所得到的白碳黑；制備成本卻遠低于氣相法，也低于沉淀法。以稻殼原料制備納米SiO2顆粒，最常用的方法之一是熱解稻殼，如侯貴華等人將經鹽酸預處理過的稻殼，放入馬弗爐中進行熱解，得到孔狀結構的納米SiO2顆粒，純度為99 %以上，粒徑小于50 μm的顆粒約占90%。

到目前為止，已經有了很多關于利用稻殼制備納米SiO2的報道，但制備出的納米SiO2顆粒發生了嚴重的團聚，使之變為幾微米至十幾微米的大顆粒，且顆粒大小不均勻。所以利用稻殼為原料制備具有分散性好的，顆粒均勻的納米SiO2，需待進一步優化制備方法，改善納米顆粒發生緊密團聚的現象。

（三）微乳法制備納米SiO2顆粒

利用反相微乳法制備納米SiO2顆粒，反應物大多是硅酸酷，當硅酸酷透過膠團界面膜進入水核中時，會發生水解生成金屬氧化物或復合氧化物。常用的硅酸酷是正硅酸乙酷(TEOS)。也有學者將堿金屬硅酸鹽的反膠束微乳液加入到無機酸中，制備出的二氧化硅球形顆粒的粒徑在5-100 nm，顆粒粒徑均勻，比表面積高。所用表面活性劑很多，目前主要集中在非離子型表面活性劑系列，如OP、NP、Triton X系列等。

三、納米SiO2的應用

（一）樹脂基復合材料的改性

將分散好的納米SiO2顆粒均勻地加到樹脂材料中，可以提高材料強度和延伸率，提高耐磨性和改善材料表面的光潔度，提高抗老化性能，從而改善樹脂基復合材料性能的目的。

（二）新型塑料添加劑

納米SiO2對塑料不僅具有補強作用，且具有許多新的特性，如半透明性的塑料薄膜，添加納米SiO2不但提高了薄膜的透明度、強度、韌性，更重要的是防水性能大大提高。

（三）功能纖維添加劑

納米SiO2具有對紫外光、可見光和近紅外的高反射率的光學特性，可作為人造纖維的制造添加劑，主要應用于紅外屏蔽人造纖維、抗紫外線輻射人造纖維、高介電絕緣纖維和靜電屏蔽纖維等。

（四）新型橡膠材料添加劑

傳統橡膠生產過程中通常在膠料中加入碳黑來提高強度、耐磨性和抗老化性，但制品均為黑色，并且檔次較低。納米SiO2不僅具有補強的作用，而且使常規橡膠具備一些新的功能特性，既可抗紫外輻射，又可防紅外反射，還可以利用SiO2的高介電特性制成絕緣性能好的橡膠。

（五）陶瓷中添加納米SiO2

在現代氧化物陶瓷生產中，納米SiO2代替納米A1203添加到陶瓷里，效果比添加A1203更理想，不但大大降低了陶瓷制品的脆性，其韌性也提高幾倍至幾十倍，在陶瓷制品表面噴涂薄薄一層納米SiO2光潔度可明顯加強。納米SiO2的價格，僅是納米A1203的二分之一，又可有效地降低材料成本。

（六）密封膠、粘結劑的改性劑

密封膠和粘結劑要求產品粘度、流動性、固化速度均為最佳條件，采用納米材料作為產品的添加劑，納米SiO2是首選材料。在納米SiO2的表面包覆一層有機材料，使之具有親水特性，添加到密封膠中就很快的形成一種硅石結構，形成網絡結構，抑制膠體流動，固化速率快，提高粘結效果。由于顆粒尺寸小，使膠的密封特性增加。

結束語

納米技術是一門正迅速崛起的新技術，起源于上個世紀80年代末期。1990年7月，在美國巴爾的摩召開了國際首屆納米科學技術會議(Nano-ST)。納米科技研究范圍是過去人類很少涉及的非宏觀、非微觀的中間領域(1-l00 nm)，它的研究開辟了人類認識世界的新層次。目前納米材料與技術的發展已得到了世界各國政府的高度重視。