纳米二氧化硅材料简介

　　纳米SiO2作为一种新型无机材料，因其特殊的结构，而被广泛的应用在塑料、涂料、橡胶、陶瓷、粘结剂、电子封装材料等领域。SiO2，又被称为白炭黑，在自然界中广泛存在，在地壳质量中的占比约为12%。SiO2是硅的一种最重要的化合物，其水化物为硅酸（H2SiO3），SiO2是一种酸性氧化物。地球上主要存在无定型和结晶型两种形态的SiO2，统称为硅石。结晶型SiO2因其具有不同结构的晶体而被分为方石英、鳞石英和石英。我们常说的水晶即为纯石英，纯石英一般为无色的透明晶体。当纯石英掺杂了一些微量杂质时，就是墨晶、茶晶、紫水晶。SiO2属于原子晶体结构，它是一种正四面体结构，其中，Si原子在其中心位置，4个O原子位于它的4个顶角上，4个O和硅的4个价电子组合形成4个共价键，SiO2是表示其组成的最简形式。硅藻土是一种白色粉末状固体，其大多松软、多孔、质轻，具有很强的吸附性，其普遍存在于自然界中，属于一种无定形的SiO2。人们常常利用其制造耐火材料、光导纤维、石英玻璃、陶瓷等。目前，制备纳米SiO2方法主要包括物理法、气相法、沉淀法、单质硅法、和溶胶-凝胶法等。

　　1.物理法

　　物理法是指我们常说的机械粉碎法。其一般通过高能球磨机或者超级气流粉碎机粉碎SiO2的聚集体，由此获得超细产品，获得的产品粒径一般为1-5μm。虽然物理法具有简单的工艺，但其容易使杂质混入，难以控制其粉料特性，具有较低的制粉效率，并且由其制备的粒径分布较宽。

　　2.气相法

　　通过气相法制得的二氧化硅，是一种无定形、松散、无污染、无毒的白色无机非金属氧化物，通过此方法制得的SiO2不仅粒径小，平均粒径分布在0.30-10μm之间，还具有非常高的纯度和良好的分散度，其比表面积在50-380m2/g之间。气相SiO2因其具有纳米效应，使得它在材料中具有很好的防流挂、触变、消光、增稠、补强、及绝缘等性质，在密封胶、胶粘剂、涂料、塑料、橡胶等高分子领域具有广泛的应用。

　　在生产过程中，气相SiO2不仅成本高，而且能源消耗大，其主要原料一般为有机硅或者无机硅的卤化物，在氢氧火焰生成的水中进行高温水解制得。目前世界主要采用或二者的混合物为原料，其制备的化学反应式如下：

　　3.沉淀法

　　沉淀法制备SiO2主要是通过在硫酸或者盐酸中反应硅酸钠（水玻璃）制得：

　　沉淀法制备SiO2虽然具有廉价、广泛的原材料，但是此方法难以控制其孔径形状，并且制得的纳米SiO2具有较宽的孔径分布，所以其产品主要用来作为橡胶补强剂而应用在工业生产中。沉淀法制备SiO2不仅具有较大的吸水性，与气相法相比，其耐热性和电性能也较弱，并且当在其挤出成型的时候容易伴随着发泡现象的产生，使得热空气难以发生硫化，相比于气相法，补强效果较差。通过此方法制备的SiO2的比表面积一般为200m2/g，平均粒径一般分布在2.0-25μm之间。沉淀法主要包括以下几类技术：①碳酸化水玻璃从而制备SiO2；②混合碱金属硅酸盐和无机酸制备SiO2水溶胶，将其凝胶颗粒进行一系列的处理（干燥、洗涤、干燥、煅烧），然后得到SiO2；③利用有机溶剂SiO2，其具有高分散性能；④利用酸化剂与硅酸盐水溶液反应得到其沉降物，经过分离、干燥，从而制备出SiO2；⑤利用喷雾造粒技术制备非球型SiO2，其具有平滑的边缘。

　　4.溶胶-凝胶法

　　溶胶-凝胶法是一种制备SiO2材料的最重要的方法，具有独特的特点。溶胶-凝胶法一般以金属醇盐或无机盐为原料，加入一定的催化剂让其水解、缩聚，从而形成凝胶，然后将凝胶经过陈化、干燥等后处理，制得不同需求的材料。通过溶胶-凝胶法制备纳米SiO2，催化剂类型(酸或碱)的不同、硅酸酯的类型不同、醇的类型不同、反应物浓度不同以及反应温度的高低都对会其粒径产生不同的影响，通过调控这些影响因素可以制备出不同结构的纳米材料。

　　5.单质硅法

　　在碱性条件下使单质硅发生反应，调节产物的pH，经过抽滤后制备其水分散液的方法被称为单质硅法。其反应式如下：

　　Si+OH-+H2O→SiO32-+H2↑（1-4）

　　制得的产物w(SiO2)=25%-30%，在其水分散液(pH=9)中，纳米SiO2颗粒的粒径为8-15nm。经过一系列的表征分析可知，其制备的纳米SiO2是一种稳定的非晶态物质，纳米SiO2会发生团聚，所以要想对其加以利用，必须对其进行改性。