纳米SiO2的简单了解和应用

王 凯

(福建省南平市顺昌县金桥学校，福建 南平 353200)

纳米SiO2是纳米材料中的重要一员，为无定形白色粉末，是一种无毒、无味、无污染的非金属材料，微观结构呈絮状和网状的准颗粒结构，为球形。具有广阔的应用前景和巨大的商业价值，并为其他相关工业领域的发展提供了新材料基础和技术保证，享有“工业味精”，“材料科学的原点”之美誉。自问世以来，已成为当今世界材料学中最能适应时代要求和发展最快的品种之一。

一、 纳米SiO2简介

（一）纳米SiO2的微观结构

纳米SiO2的分子结构呈现三维链状结构（或称三维网状结构，三维硅石结构等），表面存在不饱和的残键和不同键合状态的羟基，如图所示。

（二）纳米SiO2的性能

1.光学性能

纳米SiO2颗粒的小尺寸效应使其具有独特的光学性能对紫外、红外和可见光具有极强的反射特性，对波长在280-300 nm的紫外光反射率达80 %以上；对波长在300-800 nm的可见光反射率达85 %以上；对波长在800-1300 nm的红外光反射率达80 %以上。

2.化学性能

纳米SiO2颗粒具有体积效应和量子隧道效应，使其产生游渗功能，可深入到高分子化合物兀键的附近与其电子云发生重叠，形成空间网状结构，从而大幅度提高高分子材料的力学强度、韧性、耐磨性和耐老化性等性能。

二、 纳米SiO2颗粒的制备技术

纳米SiO2颗粒制备方法分为物理法和化学法。物理法一般指机械粉碎法，利用超气流粉碎机或高能球磨机对纳米SiO2的聚集体进行粉碎，可获得粒径为1-5 μm的超细粉体。化学法包括化学气相法(CVD)、化学沉淀法、溶胶一凝胶法(Sol-Gel)和微乳法等。

（一）溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法就是将金属醇盐溶解在有机溶剂中，通过水解聚合反应形成均匀的溶胶(Sol)，进一步反应并失去大部分有机溶剂转化成凝胶(Gel)，再通过热处理，制备成膜的化学方法。纳米SiO2的颗粒粒径易受反应物的影响，如水和NH3H20的浓度、硅酸酷的类型、不同的醇、催化剂的种类及不同的温度等，对这些影响因素的调控，可以获得各类结构的纳米SiO2。该制备方法反应过程如下:

（二）以稻壳为原料制备纳米SiO2颗粒

稻壳中制取的白碳黑的质量接近于气相法所制备的白碳黑，远高于化学沉淀法所得到的白碳黑；制备成本却远低于气相法，也低于沉淀法。以稻壳原料制备纳米SiO2颗粒，最常用的方法之一是热解稻壳，如侯贵华等人将经盐酸预处理过的稻壳，放入马弗炉中进行热解，得到孔状结构的纳米SiO2颗粒，纯度为99 %以上，粒径小于50 μm的颗粒约占90%。

到目前为止，已经有了很多关于利用稻壳制备纳米SiO2的报道，但制备出的纳米SiO2颗粒发生了严重的团聚，使之变为几微米至十几微米的大颗粒，且颗粒大小不均匀。所以利用稻壳为原料制备具有分散性好的，颗粒均匀的纳米SiO2，需待进一步优化制备方法，改善纳米颗粒发生紧密团聚的现象。

（三）微乳法制备纳米SiO2颗粒

利用反相微乳法制备纳米SiO2颗粒，反应物大多是硅酸酷，当硅酸酷透过胶团界面膜进入水核中时，会发生水解生成金属氧化物或复合氧化物。常用的硅酸酷是正硅酸乙酷(TEOS)。也有学者将碱金属硅酸盐的反胶束微乳液加入到无机酸中，制备出的二氧化硅球形颗粒的粒径在5-100 nm，颗粒粒径均匀，比表面积高。所用表面活性剂很多，目前主要集中在非离子型表面活性剂系列，如OP、NP、Triton X系列等。

三、纳米SiO2的应用

（一）树脂基复合材料的改性

将分散好的纳米SiO2颗粒均匀地加到树脂材料中，可以提高材料强度和延伸率，提高耐磨性和改善材料表面的光洁度，提高抗老化性能，从而改善树脂基复合材料性能的目的。

（二）新型塑料添加剂

纳米SiO2对塑料不仅具有补强作用，且具有许多新的特性，如半透明性的塑料薄膜，添加纳米SiO2不但提高了薄膜的透明度、强度、韧性，更重要的是防水性能大大提高。

（三）功能纤维添加剂

纳米SiO2具有对紫外光、可见光和近红外的高反射率的光学特性，可作为人造纤维的制造添加剂，主要应用于红外屏蔽人造纤维、抗紫外线辐射人造纤维、高介电绝缘纤维和静电屏蔽纤维等。

（四）新型橡胶材料添加剂

传统橡胶生产过程中通常在胶料中加入碳黑来提高强度、耐磨性和抗老化性，但制品均为黑色，并且档次较低。纳米SiO2不仅具有补强的作用，而且使常规橡胶具备一些新的功能特性，既可抗紫外辐射，又可防红外反射，还可以利用SiO2的高介电特性制成绝缘性能好的橡胶。

（五）陶瓷中添加纳米SiO2

在现代氧化物陶瓷生产中，纳米SiO2代替纳米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，其韧性也提高几倍至几十倍，在陶瓷制品表面喷涂薄薄一层纳米SiO2光洁度可明显加强。纳米SiO2的价格，仅是纳米A1203的二分之一，又可有效地降低材料成本。

（六）密封胶、粘结剂的改性剂

密封胶和粘结剂要求产品粘度、流动性、固化速度均为最佳条件，采用纳米材料作为产品的添加剂，纳米SiO2是首选材料。在纳米SiO2的表面包覆一层有机材料，使之具有亲水特性，添加到密封胶中就很快的形成一种硅石结构，形成网络结构，抑制胶体流动，固化速率快，提高粘结效果。由于颗粒尺寸小，使胶的密封特性增加。

结束语

纳米技术是一门正迅速崛起的新技术，起源于上个世纪80年代末期。1990年7月，在美国巴尔的摩召开了国际首届纳米科学技术会议(Nano-ST)。纳米科技研究范围是过去人类很少涉及的非宏观、非微观的中间领域(1-l00 nm)，它的研究开辟了人类认识世界的新层次。目前纳米材料与技术的发展已得到了世界各国政府的高度重视。