納米二氧化硅

1、納米二氧化硅SiO2的研究現(xiàn)狀及其運(yùn)用（鄧奕鵬、夏常梁、寧波、趙英孜、王娜）摘要 通過(guò)國(guó)內(nèi)外的影響力較大數(shù)據(jù)庫(kù)，查找期刊、雜志、論文中的相關(guān)文獻(xiàn)來(lái)了解二氧化硅（SiO2）、在國(guó)內(nèi)外科技前沿的研究現(xiàn)狀及運(yùn)用情況。探究其是否能夠作為“荷葉自潔效應(yīng)及其表膜納米功能材料的研究及運(yùn)用“的納米材料載體。0 前言 “荷葉自潔效應(yīng)及其表膜納米功能材料的研究及運(yùn)用”需要一種納米材料來(lái)構(gòu)成像荷葉表面的“乳突”的型式結(jié)構(gòu)。以使這種涂層能夠具有自清潔效果的。二氧化硅（SiO2）具有來(lái)源廣泛，耐腐蝕、高硬度、高強(qiáng)度、高韌性、生物友好性等特征。把二氧化硅（SiO2）作為這種乳突的型式結(jié)構(gòu)是一種不錯(cuò)的選擇。而且具有可操作性

2、！因此，我們有必要對(duì)這些材料有更深的認(rèn)識(shí)，以了解他們的制備方法、表面特征的相關(guān)屬性。來(lái)達(dá)到更好的利用二氧化硅（SiO2）的目的。增加自己對(duì)二氧化硅（SiO2）的了解。1、納米二氧化硅的性質(zhì)：1.1 物理性質(zhì) 納米Si02為無(wú)定型白色粉末，是一種無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)污染的無(wú)機(jī)非金屬材料。經(jīng)透射電子顯微鏡測(cè)試分析這種材料明顯顯現(xiàn)出絮狀或網(wǎng)狀的準(zhǔn)顆粒結(jié)構(gòu)，顆粒尺寸小，比表面積大。工業(yè)用Si02稱作自炭黑，是一種超微細(xì)粉體，質(zhì)輕，原始粒徑O3微米以下，相對(duì)密度23192653熔點(diǎn)1750，吸潮后形成聚合細(xì)顆粒。1.2 化學(xué)性質(zhì) 納米Si02的體積效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)使其產(chǎn)生滲透作用，可深入到高分子化合物的“鍵

3、附近，與其電子云發(fā)生重疊，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而大幅度提高了高分子材料的力學(xué)強(qiáng)度、韌性、耐磨性和耐老化性等。因而，人們常利用納米Si02的這些特殊結(jié)構(gòu)和性能對(duì)塑料及涂料進(jìn)行改性或制各有機(jī)Si02復(fù)合材料，提高有機(jī)高分子材料的綜合性能。1.3 光學(xué)性質(zhì) 納米Si02微粒由于只有幾個(gè)納米到幾十個(gè)納米，因而，它所表現(xiàn)出來(lái)的小尺寸效應(yīng)和表面界面效應(yīng)使其具有與常規(guī)的塊體及粗顆粒材料不同的特殊光學(xué)特性。采用美國(guó)Varian公司Cary一5E分光光譜儀對(duì)納米Si02抽樣測(cè)試表明，對(duì)波長(zhǎng)200280 nm紫外光短波段，反射率為7080；對(duì)波長(zhǎng)280300 nm的紫外中波段，反射率為80以上：在波長(zhǎng)300800

4、 nm之間，納米Si02材料的光反射率達(dá)85；對(duì)波長(zhǎng)在8001300 nm的近紅外光反射率也達(dá)7080。2、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2.1 制備方法的多樣性科技的發(fā)展推進(jìn)了材料技術(shù)的革命，制備sio2材料的方法較多，國(guó)內(nèi)外最常用的方法有：2.1.1 氣相法 氣相法多以四氯化硅為原料，采用四氯化硅氣體在氫氧氣流高溫下水解制得煙霧狀的二氧化硅。 實(shí)驗(yàn)原理：2H2 J一022H20SICl4+2HzO，SiOz+4HCl2H2+02+SICl4一Si02+4HCl 2.1.2 沉淀法 沉淀法是硅酸鹽通過(guò)酸化獲得疏松、細(xì)分散的、以絮狀結(jié)構(gòu)沉淀出來(lái)的Si02晶體。實(shí)驗(yàn)原理：Na2Si03+HCl一H2S03+N

5、aClH2S03一Si02+H20 2.1.3 SolGel法 SolGel技術(shù)由于其自身獨(dú)有的特點(diǎn)成為當(dāng)今重要的一種制備Si02材料的方法。SolGel法是以無(wú)機(jī)鹽或金屬醇鹽為前驅(qū)物(Precursor)，經(jīng)水解縮聚過(guò)程逐漸凝膠化、然后經(jīng)過(guò)一定的后處理(陳化、干燥)得到所需的材料。Roy等發(fā)現(xiàn)用此法制各的物質(zhì)可以獲得很高的化學(xué)均勻性，并運(yùn)用此法大量制備了包含有A1、Si、Ti、Zr等金屬氧化物的復(fù)合陶瓷，而這些材料用普通的粉末法是制不出來(lái)的；Stober等人發(fā)現(xiàn)用氨作為T(mén)EOS水解反應(yīng)的催化劑可以控制Si02粒子的形狀和粒徑；Overbeek等發(fā)現(xiàn)若粒子的成核作用可在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)，并接著在不

6、存在過(guò)飽和的情況下生長(zhǎng)就可得到單分散的氧化物膠粒。這些方法的出現(xiàn)使得我們有可能在材料合成早期就對(duì)其形態(tài)、結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制。2.1.4 水熱合成法 水熱反應(yīng)是高溫高壓下，在水溶液或蒸汽等流體中進(jìn)行有關(guān)化學(xué)反應(yīng)的總稱。水熱反應(yīng)法是利用水熱反應(yīng)制備粉體的一種方法，它為各種前驅(qū)物的反應(yīng)和結(jié)晶提供了一個(gè)在常壓條件下無(wú)法得到的、特殊的物理和化學(xué)環(huán)境。對(duì)設(shè)備要求高，操作復(fù)雜，能耗較大。，水熱合成過(guò)程中的溫度、壓力、樣品處理時(shí)間以及溶液的成分、酸堿性、所用的前驅(qū)體種類(lèi)、有無(wú)礦化劑和礦化劑的種類(lèi)等對(duì)所生成的氧化物顆粒的大小、形式體系的組成、是否為純相等有很大的影響。2.1.5 超重力反應(yīng)法 超重力技術(shù)，即旋轉(zhuǎn)填充床

7、(RPB)技術(shù)，是近年來(lái)興起的強(qiáng)化傳遞與反應(yīng)的高新技術(shù)。利用旋轉(zhuǎn)填料床中產(chǎn)生的強(qiáng)大離心力一超重力環(huán)境，使氣液的流速及填料的比表面積大大提高而不液泛。液體在高分散、高湍動(dòng)、強(qiáng)混合以及界面急速更新的情況下與氣體以極大的相對(duì)速度在彎曲孔道中逆向接觸，極大地強(qiáng)化了傳質(zhì)過(guò)程。傳質(zhì)單元高度降低了12個(gè)數(shù)量級(jí)，并且顯示出許多傳統(tǒng)設(shè)備所完全不具備的優(yōu)點(diǎn)阻踟。在超重力環(huán)境下，不同大小分子間的分子擴(kuò)散和相間傳質(zhì)過(guò)程均比常重力場(chǎng)下的要快得多，氣液、液液、液固兩相在比地球重力場(chǎng)大數(shù)百倍至千倍的超重力環(huán)境下的多孔介質(zhì)中產(chǎn)生流動(dòng)接觸，巨大的剪切力將液體撕裂成納米級(jí)的膜、絲和滴，產(chǎn)生巨大的和快速更新的相界面，使相間傳質(zhì)速率

8、比傳統(tǒng)的塔器中的提高13個(gè)數(shù)量級(jí)，微觀混合和傳質(zhì)過(guò)程得到極大強(qiáng)化。2.1.6 微乳液反應(yīng)法 微乳液法，又稱反相膠束法，是液相制備法中的較為新穎的種手段。金屬鹽和一定的沉淀劑形成微乳狀液，在較小的微區(qū)內(nèi)控制膠粒成核和生長(zhǎng)，熱處理后得到納米粒子。2.2 研究方法的多樣性 要了解材料相關(guān)屬性，就必須對(duì)材料進(jìn)行分析研究，在科技相當(dāng)發(fā)達(dá)的今天，研究材料的相關(guān)屬性的方法也就呈現(xiàn)出多樣性！2.2.1 紅外光譜 在美國(guó)Nicolet公司產(chǎn)FTIR型紅外光譜儀測(cè)試樣品的紅外吸收光譜，測(cè)量了經(jīng)500熱處理的納米si02樣品的紅外吸收光譜，圖中343526 cm-1是與-OH基因伸縮振動(dòng)有關(guān)的吸收蜂，1637，13

9、 cm-1是與H一0一H彎曲振動(dòng)有關(guān)的吸收峰，而109442 cm-1則為SiOSi反對(duì)稱伸縮振動(dòng)引起的強(qiáng)吸收帶， 79828 cm-1 和466，641 cm-1等處的吸收峰則都與Sio的彎曲振動(dòng)或搖擺振動(dòng)有關(guān)。圖2 二氧化硅的紅外光譜圖 2.2.2 透射電子顯微鏡（TEM） 納米sio2的透射電子顯微鏡(TEM)。由圖 可見(jiàn)，粒徑分布為60-100nm，呈球形，有部分團(tuán)聚物。從透射電鏡照片可見(jiàn)，燒結(jié)物很純，無(wú)雜質(zhì)。一般400C左右CTAB 就已經(jīng)開(kāi)始分解，燒結(jié)溫度以600C較好。溫度太低，CTAB不能完全分解；溫度太高，則團(tuán)聚比較嚴(yán)重。圖3 納米sio2的TEM照片 2.2.3）高倍電子顯

10、微鏡（SEM）：SEM照片可見(jiàn)制備的納米Si02的平均粒徑在40nm左右，顆粒近似呈球形，顆粒大小均勻：由圖22的SEM照片可以看出，所制得的Si02顆粒表面有蜂窩狀微孔；采用BET法測(cè)得的樣品的比表面積是137m2g。圖4 SiO2的SEM照片圖5 SiO2 的TEM照片2.2.4 X-Rad衍射 由圖可見(jiàn)，在2=23處出現(xiàn)了一個(gè)饅頭峰，表明該SIO2樣品為非晶態(tài)物質(zhì)所組成。 500C焙燒的SiO2粉末的XRD譜圖 2.2.5 差熱法 下圖是納米Si02樣品的差熱曲線，由曲線知，80C左右出現(xiàn)一個(gè)小吸熱峰，應(yīng)該是Si02吸附水分子蒸發(fā)所致；在228。C和360C左右出現(xiàn)兩個(gè)放熱峰，說(shuō)明是分散

11、劑和有機(jī)物分解所致，500C以后，曲線基本不再變化。圖6 納米二氧化硅的差熱分析3、應(yīng)用現(xiàn)狀3.1 單分散、大粒徑介孔球形顆粒可用作標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量的基準(zhǔn)物，可用作電鏡、光學(xué)顯微鏡及粒徑測(cè)定儀等儀器的標(biāo)準(zhǔn)粒子，可用于膠體體系的研究以及半透明膜孔徑的測(cè)定，還可在電子工業(yè)檢測(cè)儀器中作標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。3.2 介孔氧化物球形顆粒在醫(yī)學(xué)和生物化學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用日益廣泛，它可用于臨床檢驗(yàn)、藥物釋放、癌癥和肝炎的診斷、細(xì)胞的標(biāo)記、識(shí)別、分離和培養(yǎng)、放射性免疫固相載體及免疫吸收等方面。3.3 在分析化學(xué)中可以作高效液相色譜填料，適當(dāng)粒徑的單分散微球可大大提高分離效果及檢測(cè)精確度，并可改善流動(dòng)性。新近開(kāi)發(fā)的新型快速蛋白液相色譜以

12、介孔球形顆粒為填料，可實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)、肽及核苷酸的快速而精密的分離。3.4 在化學(xué)工業(yè)中大粒徑、單分散并具有介孔結(jié)構(gòu)的氧化物微球可用作催化劑載體，其催化活性高，副反應(yīng)少，反復(fù)利用率和選擇性高，并且催化劑易于回收。3.5 在農(nóng)業(yè)中, 應(yīng)用納米SiO2制作農(nóng)業(yè)種子處理劑, 可提高農(nóng)作物產(chǎn)量, 提前進(jìn)人成熟期。納米SiO2還應(yīng)用于除草劑和殺蟲(chóng)劑中, 若在顆粒狀的殺蟲(chóng)劑配方中, 加人少量納米SiO2, 會(huì)有效地控制和防止有害物質(zhì)產(chǎn)生；納米SiO2也可用作防治水果、蔬菜各種疾病的高效殺菌劑。在食品行業(yè)中，添加納米SiO2的食品包裝袋, 對(duì)水果、蔬菜可起到保鮮作用; 在酒類(lèi)生產(chǎn)中應(yīng)用納米SiO2 , 可起到凈

13、化和延長(zhǎng)保鮮期的作用。3.7 有機(jī)顏料雖具有鮮艷的色彩和很強(qiáng)的著色力, 但抗老化性能較差。通過(guò)添加納米SiO2對(duì)顏料進(jìn)行表面改性處理, 不但抗老化性能提高一倍以上, 而且亮度、色調(diào)和飽和度等指標(biāo)也均出現(xiàn)一定程度的提高。3.8 在日常生產(chǎn)中，加入SiO2可以提高橡膠的抗老化能力，可以提高陶瓷的某些特性等。把SiO2制成涂料，覆蓋在金屬表面，可以提高金屬的耐腐蝕能力、耐火極限。提高塑料的硬度，耐水性、豐滿度等。四、納米二氧化硅的發(fā)展趨勢(shì)納米二氧化硅作為自清潔材料的表膜納米涂層原料，能有效的節(jié)約清潔劑的使用，綠色環(huán)保。超疏水材料用于金屬表面的涂層涂料可以有效的減緩金屬的腐蝕速度?？梢允菇饘俚玫匠浞掷谩＜{米二氧化硅納米跟其它涂料混合使用能有效的提高其它涂料的抗壓能力，耐水，耐熱性能得到大幅度提高。國(guó)家“十二五規(guī)劃”明確提出大力發(fā)展新型節(jié)能材料，納米