纳米氧化硅材料调研报告.docx
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1、纳 米 氧 化 硅 材 料调研报告纳米氧化硅材料争辩前言纳米氧化硅纳米白炭黑作为国内最早实现规模化生产的纳米材料,具有诸多常规材料所不具备的奇异特性,因而受到了科技界与企业界的广泛关注。纳米氧化硅为具有颗粒尺寸小、微孔多、比外表积大、 外表羟基含量高、紫外线、可见光及红外线反射力量强等特点。特别是随着产品外表处理工艺的完善,纳米颗粒的软团聚程度明显降低,与有机高分子材料的相容性好,极大地拓宽了产品的应用领域。目录一、纳米氧化硅的性质1二、纳米二氧化硅的制备2三、纳米材料的应用6四、纳米氧化硅的局限与危害11五、总结12六、参考文献13一、纳米氧化硅的性质纳米氧化硅的粒径只有几十纳米具有很高的硬
2、度和很好的稳定性,其熔、沸点也很高,具有良好的化学惰性和热力稳定性。经透射电子显微镜观测,纳米氧化硅的原始颗粒尺寸平均为10nm 左右;经动态激光粒度检测,纳米氧化硅颗粒粒径集中在10-20nm 之间,分布范围很窄;经BET 法测试分析,纳米氧化硅的比外表积高达 640m/g即 1 克纳米粉体摊开后的外表积近似于 1 亩地大小,其外表存在大量的不饱和残键及不同键合状态的羟基,因外表欠氧而偏离了稳态的硅氧构造,所以该材料具有高反响活性。纳米氧化硅的产品为人工合成物无定形白色流淌性粉末,具有各种比外表积和容积严格的粒度分布。本产品是一种白色、松散、无定形、无毒、无味、无嗅,无污染的非金属氧化物。其
3、原生粒径介于 7 80nm 之间,比外表积一般大于 100mg。由于其纳米效应,在材料中表现出卓越的补强、增稠、触变、绝缘、消光、防流挂等性质,因而广泛的应用于橡胶、塑料、涂料、胶粘剂、密封胶等高分子工业领域。例如:(1) 陶瓷领域:可以提高陶瓷制品的韧性、光滑度;(2) 人造莫来石:具有高的导热特性和良好的力学性能,是电子工业封装材料的最正确原材料之一;(3) 橡胶改性:通过把握SiO的颗粒尺寸,以制备抗紫外辐射的橡胶、红外反射橡胶、高绝缘性橡胶等;(4) 粘结剂:纳米SiO小颗粒形成网络构造,抑制胶体流淌,固化速率快,提高粘结效果,同时增加了胶的密封特性;(5) 涂料:利用纳米SiO透亮性
4、和对紫外光的吸取特性;(6) 功能纤维添加剂:制造红外屏蔽人造纤维、抗紫外线辐照人造纤维、高介电绝缘性能优越的纤维等;(7) 塑料改性:用作塑料的补强剂,使塑料变得很致密,提高了薄膜的透亮度、强度和韧性,大大提高防水性能;(8) 抗油漆老化添加剂:提高各类油漆的抗老化性能和光滑度; (9)高级研磨介质:制成抛光液用于硅片等电子材料外表研磨或抛光。第 10 页 共 16 页在光学特性方面,纳米氧化硅对紫外光和可见光都呈现较高的反射特性,这明显区分于其他纳米材料的吸取特性。其对紫外短波200280nm的反射率达 70%80%;对紫外中长波280400nm 的反射率达 8085%;对可见光400nm
5、800nm的反射率高达 85% 以上;对 8001350nm 波段的近红外线的反射率也达 70%以上。承受比外表和孔隙率对纳米氧化硅进展检测觉察,其外表含有很多纳米级微孔,孔径集中在 0.5-1nm 之间,孔隙率高达 60%以上。二、纳米二氧化硅的制备制备方法:1. 燃烧法燃烧法又叫干法或气相法,即无机硅或有机硅的氯化物水解法。制备过程为:将精制的氢气、空气和硅化物蒸气按肯定比例投入水解炉进展高温10001200水解,生产二氧化硅气溶胶,经聚拢器收集二氧化硅纳米级粒子。其化学反响式如下:SiCl+ 2H+ O SiO+ HCl2CHSiCl+ 5O+ 2H 2SiO+ 6HCl + 2CO+
6、2HO气相法工艺生产的纳米 SiO又叫 SiO气凝胶,物化性能好,粒子大小、比外表积、外表活性等重要性质都很抱负。SiO气凝胶密度低,空隙率最高可达 98%,其独特的纳米介孔构造使其具有很多优异的性能,如热导率低,声速低等。一般制备 SiO气凝胶多承受超临界枯燥工艺,由于超临界枯燥在高于液体的临界温度和临界气压下去除湿凝胶中空隙液体,因而可以减小毛细管压力的影响,避开凝胶收缩和裂开发生。然而,超临界枯燥需要用到高压釜,工艺简单、原料昂贵、本钱高,设备要求高,产量低,还有肯定的危急性。为尽快实现SiO气凝胶的大规模生产及广泛的实际应用,争辩 SiO气凝胶的常压枯燥技术格外必要。Schwertfe
7、ger,Lee 和赵大方等先后用三甲基氯硅烷/六甲基二硅醚和异丙醇/TMCS/己烷溶液处理水凝胶,使溶剂交换_外表改性一步完成,在肯定程度上减小了多步溶剂交换存在的耗时、本钱高等问题。在此根底上,大连理工大学的史非等尝试了一种的改性工艺,即用乙醇/TMCS/庚烷溶液对 SiO气凝胶进展改性处理,结果更有利于获得大块的低密度SiO气凝胶。2. 沉淀法沉淀法也叫湿法,是由可溶性硅酸盐以酸分解,制得不溶性的SiO。其化学反响式为:CaSiO+ 2HCl CaCl + SiO + 2HO沉淀法生产工艺,其产量高,工艺简洁,易形成规模生产,但产品质量较气相法差。河北理工大学的张庆军等通过改进工艺、增加技
8、术环节,仍用本法制备了粒径小平均粒径为 35nm、大比外表积外表活性能为 35.566kJ/mol、高稳定性的纳米 SiO。李佳伦等改进沉淀法后,生产的纳米SiO可把握在1520nm 范围内,含量高达99.9%, 物化性能超过国内同类产品,并且工艺流程短,原料价廉易得,设备数量少,投资少,投产快等。沉淀法是将反响物溶液与其它关心剂混合,然后在混合溶液中加入酸化剂沉淀, 生成的沉淀再经枯燥与煅烧得到纳米二氧化硅。此法因其工艺简洁、原料来源广泛而得到广泛地争辩与应用, 但其产品性状难以把握的问题尚没得到较好的解决 , 所以目前对此法的争辩重点多为将其它把握手段与沉淀法结合 , 加强对反响及沉淀过程
9、的把握, 使产品的性状得到改善。如何清玉等将沉淀过程置于超重力反响器中, 利用比地球重力大数百倍至千倍的超重力环境 , 强化微观混合和传质过程, 可使反响时间大大缩短, 使制得的产品粒径小、粒度分布窄。此外, 亦可利用超声波等分散手段, 使沉淀过程得到把握, 从而防止颗粒团聚, 使产品性状得到改善。3. 溶胶-凝胶法此法一般以硅酸盐或硅酸酯为前驱物溶于溶剂中形成均匀溶液, 然后调整 pH 值, 使前驱物水解聚合形成溶胶。随着水解的进展, 水解产物进一步聚拢形成凝胶 , 滤出凝胶再经枯燥及煅烧, 制得所需的纳米二氧化硅粉体。此制备方法承受的前驱物中 , 正硅酸乙酯( TEOS)因其水解及溶胶凝胶
10、化过程易于把握而得到广泛争辩。TEOS 的水解过程依据催化剂的不同可分成酸催化和碱催化 , 两者的催化水解过程有肯定的区分。在碱催化下, TEOS 的水解较完全, 易于形成球形粒子; 在酸催化下, 由于单体聚缩速率较大,水解反响过程易发生线性缩合, 形成三维空间网络构造而难以形成球形粒子。所以, 目前制备纳米二氧化硅的争辩主要为碱性催化 , 吸附性能更优越的酸性纳米二氧化硅的争辩较少。4. 微乳液法微乳液通常由外表活性剂、助外表活性剂、油、水组成, 剂量小的溶剂被包裹在剂量大的溶剂中形成一个个纳米级的、外表由外表活性剂组成的微泡。微乳液法就是通过向由前驱物制得的微乳液中滴加酸化剂或催化剂, 使
11、制备反响在微乳液泡内发生 , 利用微乳液使固相的成核生长、分散、团聚等过程局限在一个微小的球形液滴微泡内, 从而形成纳米球形颗粒, 又避开了颗粒之间进一步团聚 , 易实现粉体粒径的可控性生产。微乳液在整个制备过程中是作为一个微反响器和模板, 其制备效果对产品的质量起了关键作用。为了能够到达抱负的效果, 配制微乳液所选取的外表活性剂的HLB(亲水亲油平衡值)应当与微乳液中油相的 HLB 相匹配, 同时, 综合运用多种外表活性剂可使微乳液更加稳定。此外, 助外表活性剂和油相也起着格外重要的作用, 油的碳原子数加上助外表活性剂的碳原子数等于外表活性剂的碳原子数是微乳液形成的最正确条件。假设承受高速搅
12、拌器或超声波等混合手段, 更能在最短的时间内制得液滴最为均一且尺寸为纳米级的微乳液。通过微乳液, 再结适宜当的后处理工序, 将可以制得形貌及粒径都较为均一的纳米二氧化硅粉体。如骆锋等以硅酸钠为前驱体, 以 OP 乳化剂为外表活性剂,正戊醇为助外表活性剂, 环己烷为油相制备微乳液, 然后以浓硫酸为酸化剂得到白色沉淀 , 再经共沸蒸馏、真空枯燥与高温焙烧制得了 15 30nm 的二氧化硅白色粉末。此法在微乳液的根底上, 承受了共沸蒸馏工艺脱去凝胶中剩余的水分, 防止含水胶体在枯燥过程中发生粉末硬团聚现象 , 使粉末的性能得到了提高。微乳液法作为一种兴的制备方法 , 由于其具有纳米级的自装配力量,
13、易于实现粒径与形貌的可控性制备而引起众多争辩者的兴趣, 成为近年的争辩热点。但是由于其本钱高、产品的有机成份难以去除且易造成环境污染, 而尚未在工业上广泛应用。为了实现工业化生产, 在工艺上尚需进一步争辩, 实现有机组分的分别与回收 , 以及寻求有效的途径实现去除产品有机杂质的同时防止颗粒团聚等。5. 其他方法随着争辩的深入开展, 为了降低本钱, 制得粒径小、粒度分布窄、形貌优良的纳米二氧化硅粉体, 很多学者开展了创性的争辩。吉林大学的王子忱教授制造了从稻壳中提取纳米 SiO 。使用稻壳为原料生产出高比外表活性炭,得到比外表超过 3500mg 的产品,具有超强吸附,是一般活性炭吸附力量的 34
14、 倍。再如以硅灰石为原料生产纳米二氧化硅的方法,其方法显著特点是由矿石一步到位生产纳米二氧化硅,具有工艺简洁、流程短、能耗低,质量稳定, 生产本钱低的优点。王淑贤争辩了一种以四氯化硅为原料的湿式制备方法。将四氯化硅参加水中生成氢氧化硅 , 经洗净后产出二氧化硅粉末 , 在二氧化硅粉末料中添加15%的盐酸以除去杂质, 然后分组提取不同粒径的粉体, 最终将不同级别的粉体分别烘干得到纳米二氧化硅粉体。沈培康等争辩了喷雾枯燥法制备纳米二氧化硅的工艺。此法以商品级硅溶胶为原料, 在离子型和非离子型外表活性剂和其它添加剂作用下, 调整溶液的pH 值, 使团聚的硅溶胶微粒分散成纳米颗粒。通过高速离心喷嘴喷出
15、纳米微液滴, 在枯燥塔内经热风( 250500e ) 瞬间枯燥得到二氧化硅纳米粉体。此法的制备温度较低,颗粒原位生成, 不需进一步粉碎和后处理, 操作上较为简洁。制备的原材料:目前, 国内外对纳米二氧化硅的争辩主要承受硅酸钠和正硅酸乙酯为原料, 而工业生产的原料则以低廉的硅酸钠为主。局部争辩者为了实现资源的回收利用, 利用煤酐石、稻壳等废弃物为原料, 成功制备了纳米二氧化硅; 我们亦可以尾矿为原料制备纳米二氧化硅 , 到达变废为宝的目的。利用各种硅含量较高的废弃物为原料制备纳米二氧化硅, 为局部废弃物供给了现实牢靠的出路 , 实现资源增值, 缓解了工业生产对环境所造成的压力。SiO 纳米的主要
16、技术指标参数比外表积粒径摇实密度热导率mgnmmgWmK指标55968515200.150.01小结:综上所述, 由于纳米二氧化硅被广泛地应用于各行各业 , 对其制备方法的争辩得到了广泛的开展 , 形成了多种多样的制备方法 , 且随着科技的进展与争辩的深入 , 的制备工艺将会不断被开发出来。但是, 目前纳米二氧化硅的制备技术仍难以满足各行业应用的需要, 面临很多有待解决的问题 : 有效地解决颗粒硬团聚问题 , 使其在制备与贮运过程中均匀分散 ; 更有效地把握粉体的形貌, 降低本钱, 实现粉体粒径的可控性生产。三、纳米材料的应用近年来,争辩人员在不断探究纳米二氧化硅优越性的同时 ,通过构造重整以
17、及物质重组,制备了很多无机- 有机型、无机- 无机型的复合材料。从而大大改善了单纯纳米SiO2 的单分散、难分散性和易团聚性等缺点,使其很多性能得到进一步的优化和升级。如提高材料的抗紫外线的光学性能;抗老化和耐化学性能;强度、弹性、韧性、吸附性和缓释性能等。可广泛应用于生物、医学、膜科学、催化剂、涂料、硅橡胶以及农药等领域。1. 生物和医学方面随着当前城市生活垃圾的大幅增长以及环境污染的日趋严峻,加大消灭四害的力度、预防疾病的传播已格外迫切。在树干上涂刷石灰、向垃圾箱喷洒药水已作用不大,现在大城市已承受喷涂中枢神经麻醉药类杀虫剂来消灭蚊子、苍蝇、蟑螂等昆虫类害虫,但这些杀虫剂多从国外进口,价格
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