纳米二氧化硅的合成方法研究

袁琳娜 刘积春 冯雅飞 樊旭东 张玩涛

【摘 要】纳米二氧化硅（nano-SiO2）为无定型白色粉末（团聚体），是一种无毒无味和无污染的非金属功能材料。由于其具有较大的比表面积，并且表面存在着羟基，故具有奇异或反常的特性。目前，研究nano-Si02的制备方法已成为纳米技术领域的一大热点。下面就对nano-Si02的制备方法进行阐述，最后介绍了纳米二氧化硅的发展前景。

【关键词】纳米二氧化硅;制备方法;发展

二氧化硅是自然界中广泛存在的无机材料，因储量丰富以及价格低廉而被很多行业应用。随着二氧化硅粉末尺寸的减小，二氧化硅的量子尺寸、量子隧道效应逐渐显现，并且伴随着奇异的光学、电学、磁学、热学、力学以及高温下高强、高稳定性等特性，因此引起了众多学者的研究兴趣，被誉为“21世纪最有前途的材料之一”[1]。目前二氧化硅纳米材料已在很多领域获得应用[2]。目前，二氧化硅纳米颗粒的制备方法主要有气相法、化学沉淀法、溶胶-凝胶法以及微乳液法等。

1.纳米二氧化硅

纳米二氧化硅为无定型白色粉末，是一种无毒、无味、无污染的非金属材料微结构为球形，呈絮状和网状的准颗粒结构。它具有独特性质如具有对抗紫外线的光学性能。它还可提高材料的抗老化性和耐化学性;将纳米二氧化硅分散在材料中，可提高材料的强度，强性。还具有吸附色素离子、降低色素衰减的作用等。

2.纳米二氧化硅的制备方法

纳米二氧化硅的制备按工艺[3]可分为干法和湿法两大类：干法工艺制备的产品虽然具有纯度高，性能好的特点，但设备投资大、生产过程中能耗大、成本高。湿法工艺所用原料广泛、价廉，产品经过硅烷偶联剂化学改性后，补强性能接近于炭黑。干法包括气相法和电弧法，湿法有沉淀法和凝胶法。其中沉淀法生产流程简单，能耗低，是目前主要的制备方法。

2.1溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法一般以硅酸酯为原料，经水解缩聚后逐渐胶化，然后经过一定的后处理（陈化、干燥）得到所需的材料。采用溶胶-凝胶法技术制备的nanoSiO2，

其最终收反应水和NH3的浓度、硅酸酯的类型[正硅酸四甲酯（TMOS）、正硅酸四乙酯（TEOS）和正硅酸四丙酯（TPOS）等、醇的种类（甲醇、乙醇、丙醇和戊醇等）、催化剂的种类（酸或碱）和温度等因素扩散的影响而有所不同。通过对这些影响因素的调控，可获得不同结构的纳米材料。王孝龙[4]等采用溶胶-凝胶法，不使用任何催化剂，选用高沸点的乙二醇作为共溶剂，通过调节TEOS和水的体积比，在较高的反应温度下，制备了球状nano-SiO2。

2.2沉淀法

沉淀法制备的纳米二氧化硅粒子内部存在无规则的二元线型结构。沉淀法是硅酸盐通过酸化获得疏松、细分散的，以絮状结构沉淀出SiO，晶体的方法。该法原料易得、生产流程简单、能耗低、投资少，但是产品质量不如气相法和凝胶法，为目前主要的生产方法。郭宇[5]等以水玻璃和盐酸为原料，采用化学沉淀法在反应温度为40～50℃、PH值為5～6、干燥温度为110℃、焙烧温度为500℃的条件下，制得的SiO2粒径为50～60nm，比表面积大且分散性好，达到了工业生产的标准。

2.3反相微乳液法

反相微乳液法一种可有效调控纳米颗粒大小的方法。该法通过控制纳米微水池，进而控制产物的粒径及其它性质。反相微乳液通常由表面活性剂、助表面活性剂（通常为醇类）、油（通常为碳氢化合物）和水或电解质水溶液在适当的比例下自发形成的透明或半透明、低粘度和各向同性的热力学稳定体系。反相微乳液法制备纳米材料的影响因素有：水核半径R（主要由水和表面活性剂的物质的量比来控制）、微乳液界面强度（主要通过体系含水量、界面醇含量、醇和油的碳氢链长短来控制）。Arriagada等研究了R以及氨水浓度的影响，认为低氨水浓度下粒径随R的增大而减小，高氨水浓度下粒径随R的增大出现最小值。

2.4气相法

激光激活化学气相沉积是制备纳米Si02的有效方法之一。该方法比较容易制备出晶态和非晶态纳米粒子，具有清洁、无壁效应、粒度分布均匀，无黏结、产量高、可连续生产及应用广泛等优点。为了获得高纯超细Si02粉末，工艺中利用SiC14气相原料反应物激活后发生反应，化学反应方程式为：

SiCl4+02→Si02+C12↑

为充分利用SiCl4，02与SiCl4一般混合比至少为4：1，在温度为1120～1200℃，氧气流量为0.5～1.0L/min.激光功率为300～350W时，15min便可生成Si02纳米粉术。

气相法原料品费，设备要求高，生产流程长，能耗大。

3.展望

纳米科学技术是80年代末90年代初才迅速发展起来的一门前沿、交叉性新型学科领域，自从纳米技术的诞生到现在，所取得成就以及对各个领域的影响和渗透一直是人们关注的焦点。对纳米材料的研究一个突出特点是基础研究和应用研究的衔接是非常紧密的，并且实验成果的转化速度之快超出人们的预料，其基础研究和应用研究都取得了重要的进展。纳米技术的发展将会在21世纪的工业领域引起一场革命性的变化。有专家预言纳米科技、信息技术和生物技术将成为21世纪社会经济发展的三大支柱。纳米技术的广泛应用，将使各国在世界经济中的地位排布发生变化，因而纳米技术已经成为当今世界各个发达国家争夺的战略制高点，他们都对纳米技术的开发。研究投入了大量的人力、物力。欧洲的一些国家、日本以及美国己经制定并实施了各自的纳米科学技术发展的战略计划。

但是nano-SiO2，的制备技术仍难以满足应用需求，面临着许多有待解决的问题：①如何有效解决nano-SiO2，粒子的团聚问题，使其在制备过程中能够分散均匀;②如何更有效地控制nano-SiO2，粒子的粒径与形貌;③如何降低成本，实现粒子的规模化生产等。

参考文献：

[1]芳明.纳米二氧化硅的制备、表面改性和应用前景. 精细化工原料及中间体 2011年第1期.

[2]刘焕彬，陈小泉.纳米科学与技术导论[M]北京：化学工业出版社，2006.

[3]李曦，刘连利，王莉莉.纳米二氧化硅的研究现状与进展.渤海大学学报（自然科学版）.2006，12

[4]王孝龙，纪全，夏延致，等.溶胶-凝胶法制备纳米SiO，及其表面接枝改性研究[J].纳米科技，2007，4（2）：34-36.

[5]郭宇，吴红梅，周立岱，等.化学沉淀法制备纳米二氧化硅[J].辽宁化工，2005，2：56-57.

基金项目：陕西省2020年大学生创新创业训练计划项目（S202013123029）葡萄糖响应型二氧化硅载胰岛素体系合成及评价。

（作者单位：陕西国际商贸学院）