纳米二氧化硅

纳米二氧化硅SiO2的研究现状及其运用（邓奕鹏、夏常梁、宁波、赵英孜、王娜）摘要通过国内外的影响力较大数据库，查找期刊、杂志、论文中的相关文献来了解二氧化硅（SiO2）、在国内外科技前沿的研究现状及运用情况。探究其是否能够作为“荷叶自洁效应及其表膜纳米功能材料的研究及运用“的纳米材料载体。0前言“荷叶自洁效应及其表膜纳米功能材料的研究及运用”需要一种纳米材料来构成像荷叶表面的“乳突”的型式结构。以使这种涂层能够具有自清洁效果的。二氧化硅（SiO2）具有来源广泛，耐腐蚀、高硬度、高强度、高韧性、生物友好性等特征。把二氧化硅（SiO2）作为这种乳突的型式结构是一种不错的选择。而且具有可操作性！因此，我们有必要对这些材料有更深的认识，以了解他们的制备方法、表面特征的相关属性。来达到更好的利用二氧化硅（SiO2）的目的。增加自己对二氧化硅（SiO2）的了解。1、纳米二氧化硅的性质：1.1物理性质纳米Si02为无定型白色粉末，是一种无毒、无味、无污染的无机非金属材料。经透射电子显微镜测试分析．这种材料明显显现出絮状或网状的准颗粒结构，颗粒尺寸小，比表面积大。工业用Si02称作自炭黑，是一种超微细粉体，质轻，原始粒径O．3微米以下，相对密度2．319～2．653熔点1750℃，吸潮后形成聚合细颗粒。1.2化学性质纳米Si02的体积效应和量子隧道效应使其产生渗透作用，可深入到高分子化合物的“键附近，与其电子云发生重叠，形成空间网状结构，从而大幅度提高了高分子材料的力学强度、韧性、耐磨性和耐老化性等。因而，人们常利用纳米Si02的这些特殊结构和性能对塑料及涂料进行改性或制各有机Si02复合材料，提高有机高分子材料的综合性能。1.3光学性质纳米Si02微粒由于只有几个纳米到几十个纳米，因而，它所表现出来的小尺寸效应和表面界面效应使其具有与常规的块体及粗颗粒材料不同的特殊光学特性。采用美国Varian公司Cary一5E分光光谱仪对纳米Si02抽样测试表明，对波长200～280nm紫外光短波段，反射率为70％～80％；对波长280～300nm的紫外中波段，反射率为80％以上：在波长300～800nm之间，纳米Si02材料的光反射率达85％；对波长在800～1300nm的近红外光反射率也达70～80％。2、国内外研究现状2.1制备方法的多样性科技的发展推进了材料技术的革命，制备sio2材料的方法较多，国内外最常用的方法有：2.1.1气相法气相法多以四氯化硅为原料，采用四氯化硅气体在氢氧气流高温下水解制得烟雾状的二氧化硅。实验原理：2H2J一02—2H20SICl4+2HzO—，SiOz+4HCl2H2+02+SICl4一Si02+4HCl2.1.2沉淀法沉淀法是硅酸盐通过酸化获得疏松、细分散的、以絮状结构沉淀出来的Si02晶体。实验原理：Na2Si03+HCl一H2S03+NaClH2S03一Si02+H202.1.3Sol—Gel法Sol—Gel技术由于其自身独有的特点成为当今重要的一种制备Si02材料的方法。Sol—Gel法是以无机盐或金属醇盐为前驱物(Precursor)，经水解缩聚过程逐渐凝胶化、然后经过一定的后处理(陈化、干燥)得到所需的材料。Roy等发现用此法制各的物质可以获得很高的化学均匀性，并运用此法大量制备了包含有A1、Si、Ti、Zr等金属氧化物的复合陶瓷，而这些材料用普通的粉末法是制不出来的；Stober等人发现用氨作为TEOS水解反应的催化剂可以控制Si02粒子的形状和粒径；Overbeek等发现若粒子的成核作用可在短时间内实现，并接着在不存在过饱和的情况下生长就可得到单分散的氧化物胶粒。这些方法的出现使得我们有可能在材料合成早期就对其形态、结构进行控制。2.1.4水热合成法水热反应是高温高压下，在水溶液或蒸汽等流体中进行有关化学反应的总称。水热反应法是利用水热反应制备粉体的一种方法，它为各种前驱物的反应和结晶提供了一个在常压条件下无法得到的、特殊的物理和化学环境。对设备要求高，操作复杂，能耗较大。，水热合成过程中的温度、压力、样品处理时间以及溶液的成分、酸碱性、所用的前驱体种类、有无矿化剂和矿化剂的种类等对所生成的氧化物颗粒的大小、形式体系的组成、是否为纯相等有很大的影响。2.1.5超重力反应法超重力技术，即旋转填充床(RPB)技术，是近年来兴起的强化传递与反应的高新技术。利用旋转填料床中产生的强大离心力一超重力环境，使气液的流速及填料的比表面积大大提高而不液泛。液体在高分散、高湍动、强混合以及界面急速更新的情况下与气体以极大的相对速度在弯曲孔道中逆向接触，极大地强化了传质过程。传质单元高度降低了1—2个数量级，并且显示出许多传统设备所完全不具备的优点阻踟。在超重力环境下，不同大小分子间的分子扩散和相间传质过程均比常重力场下的要快得多，气液、液液、液固两相在比地球重力场大数百倍至千倍的超重力环境下的多孔介质中产生流动接触，巨大的剪切力将液体撕裂成纳米级的膜、丝和滴，产生巨大的和快速更新的相界面，使相间传质速率比传统的塔器中的提高1—3个数量级，微观混合和传质过程得到极大强化。2.1.6微乳液反应法微乳液法，又称反相胶束法，是液相制备法中的较为新颖的～种手段。金属盐和一定的沉淀剂形成微乳状液，在较小的微区内控制胶粒成核和生长，热处理后得到纳米粒子。2.2研究方法的多样性要了解材料相关属性，就必须对材料进行分析研究，在科技相当发达的今天，研究材料的相关属性的方法也就呈现出多样性！2.2.1红外光谱在美国Nicolet公司产FTIR型红外光谱仪测试样品的红外吸收光谱，测量了经500℃热处理的纳米si02样品的红外吸收光谱，图中3435．26cm-1是与--OH基因伸缩振动有关的吸收蜂，1637，13cm-1是与H一0一H弯曲振动有关的吸收峰，而1094．42cm-1则为Si—O—Si反对称伸缩振动引起的强吸收带，798．28cm-1和466，641cm-1等处的吸收峰则都与Si—o的弯曲振动或摇摆振动有关。图2二氧化硅的红外光谱图2.2.2透射电子显微镜（TEM）纳米sio2的透射电子显微镜(TEM)。由图可见，粒径分布为60-100nm，呈球形，有部分团聚物。从透射电镜照片可见，烧结物很纯，无杂质。一般400C左右CTAB就已经开始分解，烧结温度以600C较好。温度太低，CTAB不能完全分解；温度太高，则团聚比较严重。图3纳米sio2的TEM照片放大48000倍2.2.3）高倍电子显微镜（SEM）：SEM照片可见制备的纳米Si02的平均粒径在40nm左右，颗粒近似呈球形，颗粒大小均匀：由图2．2的SEM照片可以看出，所制得的Si02颗粒表面有蜂窝状微孔；采用BET法测得的样品的比表面积是137m2／g。图4SiO2的SEM照片图5SiO2的TEM照片2.2.4X-Rad衍射由图可见，在2θ=23°处出现了一个馒头峰，表明该SIO2样品为非晶态物质所组成。500C焙烧的SiO2粉末的XRD谱图2.2.5差热法下图是纳米Si02样品的差热曲线，由曲线知，80°C左右出现一个小吸热峰，应该是Si02吸附水分子蒸发所致；在228。C和360C左右出现两个放热峰，说明是分散剂和有机物分解所致，500C以后，曲线基本不再变化。图6纳米二氧化硅的差热分析3、应用现状3.1单分散、大粒径介孔球形颗粒可用作标准计量的基准物，可用作电镜、光学显微镜及粒径测定仪等仪器的标准粒子，可用于胶体体系的研究以及半透明膜孔径的测定，还可在电子工业检测仪器中作标准物质。3.2介孔氧化物球形颗粒在医学和生物化学领域中应用日益广泛，它可用于临床检验、药物释放、癌症和肝炎的诊断、细胞的标记、识别、分离和培养、放射性免疫固相载体及免疫吸收等方面。3.3在分析化学中可以作高效液相色谱填料，适当粒径的单分散微球可大大提高分离效果及检测精确度，并可改善流动性。新近开发的新型快速蛋白液相色谱以介孔球形颗粒为填料，可实现蛋白质、肽及核苷酸的快速而精密的分离。3.4在化学工业中大粒径、单分散并具有介孔结构的氧化物微球可用作催化剂载体，其催化活性高，副反应少，反复利用率和选择性高，并且催化剂易于回收。3.5在农业中,应用纳米SiO2制作农业种子处理剂,可提高农作物产量,提前进人成熟期。纳米SiO2还应用于除草剂和杀虫剂中,若在颗粒状的杀虫剂配方中,加人少量纳米SiO2,会有效地控制和防止有害物质产生；纳米SiO2也可用作防治水果、蔬菜各种疾病的高效杀菌剂。在食品行业中，添加纳米SiO2的食品包装袋,对水果、蔬菜可起到保鲜作用;在酒类生产中应用纳米SiO2,可起到净化和延长保鲜期的作用。3.7有机颜料虽具有鲜艳的色彩和很强的着色力,但抗老化性能较差。通过添加纳米SiO2对颜料进行表面改性处理,不但抗老化性能提高一倍以上,而且亮度、色调和饱和度等指标也均出现一定程度的提高。3.8在日常生产中，加入SiO2可以提高橡胶的抗老化能力，可以提高陶瓷的某些特性等。把SiO2制成涂料，覆盖在金属表面，可以提高金属的耐腐蚀能力、耐火极限。提高塑料的硬度，耐水性、丰满度等。四、纳米二氧化硅的发展趋势纳米二氧化硅作为自清洁材料的表膜纳米涂层原料，能有效的节约清洁剂的使用，绿色环保。超疏水材料用于金属表面的涂层涂料可以有效的减缓金属的腐蚀速度。可以使金属得到充分利用。纳米二氧化硅纳米跟其它涂料混合使用能有效的提高其它涂料的抗压能力，耐水，耐热性能得到大幅度提高。国家“十二五规划”明确提出大力发展新型节能材料，纳米二氧化硅作为未来新型材料有很大的发展趋势。参考资料1、莫引优、符韵林（广西大学林学院）《纳米二氧化硅在涂料中的应用》。2、沈新章、金名惠、孟夏兰（华中科技大学化学系）《纳米二氧化硅的制备及其表征》。3、董丽新（河北大学无机化学）硕士论文：《纳米二氧化硅的制备及其表征》。4、丁立国（哈尔滨工程大学应用化学）硕士论文：《二氧化硅的制备与应用研究》。5、刘俊渤、臧玉春、吴景贵、王明辉（吉林农业大学资源与环境学院）《纳米二氧化硅的开发与应用》