纳米二氧化硅粉体的制备研究进展
2019-03-06 10:10:51
导读纳米二氧化硅粉体是一种质轻无定形的白色非金属材料，广泛运用于催化剂载体、高分子复合材料、电子封装材料、精细陶瓷材料、橡胶、造纸、塑料、粘结剂、高级填料、涂料、光导纤维、精细铸造等产品中，简直触及一切运用二氧化硅粉体的职业。1纳米二氧化硅的制备办法在很多研讨者的不断尽力下，二氧化硅粉体在制备办法的研讨上有了长足开展，以不同的原材料为根底， 构成了许多各具特色的物理及化学制备办法(见表1)，极大地促进了二氧化硅粉体的运用与自然资源的有用运用。
1. 1 物理办法
纳米二氧化硅的物理制备办法首要为机械破坏，经过超细破坏机械发作的冲击、剪切、冲突等力的归纳效果对大颗粒二氧化硅进行超细破坏，然后运用高效分组设备别离不同粒径的颗粒，然后完成纳米二氧化硅粉末粒度散布的均匀化与特定化。物理办法的出产工艺简略、出产量大、出产进程易于操控，但对质料要求较高, 且跟着粒度减小， 颗粒因表面能增大而聚会，难以进一步缩小粉体颗粒粒径。
为了处理这一对立，任振等交融了功率超声和拌和破坏，运用研磨介质相互磕碰发作的揉捏、剪切、冲击等效果力， 以及超声空化效果发作的高能冲击波和微射流的一起效果，使必定浓度的质料在破坏筒中被同步破坏与涣散。该办法归纳了功率超声与机械拌和破坏的长处，使产品易于到达纳米级且介观涣散均匀、散布窄。
1. 2 化学办法
1. 2. 1 化学气相反响法
此法运用有机硅化合物(如有机卤硅烷、硅烷等)、与氧气或空气混合焚烧，有机硅化合物在高温焚烧后，在反响生成的水中进行高温水解，然后制得纳米二氧化硅。组成的纳米颗粒具有粒度均匀、粒径小且成球形、产品纯度高、表面羟基少等长处。
但此法要使化学反响发作，还必须运用加热、射线辐照或等离子体等办法将反响物活化成分子, 因此此法所用设备要求高, 所用质料贵，产品报价较高，且其制备核心技能和商场首要由德国、美国和日本几大公司操控, 约束了它的运用。为了下降其出产本钱，完成大规模出产，此法在质料挑选、反响条件与设备要求等方面需求更深化的研讨。
1. 2. 2沉积法
沉积法是将反响物溶液与其它辅助剂混合，然后在混合溶液中参加酸化剂沉积，生成的沉积再经枯燥与煅烧得到纳米二氧化硅。此法因其工艺简略、质料来历广泛而得到广泛地研讨与运用，但其产品性状难以操控的问题尚没得到较好处理，所以现在对此法的研讨要点多为将其它操控手法与沉积法结合，加强对反响及沉积进程的操控，使产品的性状得到改进。
何清玉等将沉积进程置于超重力反响器中，运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进程，可使反响时刻大大缩短，使制得的产品粒径小、粒度散布窄。此外，亦可运用超声波等涣散手法， 使沉积进程得到操控，然后避免颗粒聚会, 使产品性状得到改进。
1. 2. 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构成均匀溶液，然后调理pH值，使前驱物水解聚合构成溶胶。跟着水解的进行，水解产品进一步集合构成凝胶，滤出凝胶再经枯燥及煅烧，制得所需的纳米二氧化硅粉体。此制备办法选用的前驱物中，正硅酸乙酯( TEOS )因其水解及溶胶凝胶化进程易于操控而得到广泛研讨。
TEOS的水解进程依据催化剂的不同可分红酸催化和碱催化，两者的催化水解进程有必定的差异。在碱催化下，TEOS的水解较彻底，易于构成球形粒子；在酸催化下，因为单体聚缩速率较大,水解反响进程易发作线性缩合，构成三维空间网络结构而难以构成球形粒子。所以，现在制备纳米二氧化硅的研讨首要为碱性催化， 吸附功能更优越的酸性纳米二氧化硅的研讨较少。
陈小泉等在非极性有机溶剂中，运用乙酸和醇在没有酸性催化剂下发作酯化反响，然后TEOS被约束在酯化生成水的水滴反响单元中充沛水解，构成单涣散纳米二氧化硅粒子，再经真空蒸发即可得制品。此办法运用乙酸和醇的酯化反响避免TEOS在乙酸存鄙人的线性缩合，使缩聚以多维的办法进行，然后制备了单涣散的酸性纳米二氧化硅粉体。
SungSoo等研讨了在纳米二氧化硅制备进程中一价电解质所起的效果。研讨发现， 以TEOS为前驱体、为催化剂，在没有增加一价电解质时，所得颗粒粒径为35 nm 到几百纳米；而少数一价电解质的增加， 则可使颗粒表面电荷得到加强，阻挠颗粒聚会成长, 使产品粒径缩小至17. 5 nm。可是当增加电解质的浓度超越最佳浓度时, 颗粒表面电荷受中和而聚会, 使颗粒粒径增大。一起, 作者还研讨了不同一价电解质的效果效果, 其间, 对缩小颗粒粒径所起的效果最显着, 而氯化所起的效果最小。
李德慧等在醇类有机溶剂中, 以为催化剂, TEOS 在涣散剂效果下水解, 经真空低温冷冻枯燥制得了单涣散、球形实心、粒度散布极窄的高纯纳米二氧化硅颗粒。此法运用真空低温冷冻枯燥, 使二氧化硅水悬浮液中冻住的水分在低温低压下进步而脱去, 最大极限地避免了枯燥进程中二氧化硅粒子的聚会, 然后得到单涣散的二氧化硅粉体。溶胶- 凝胶法的制备反响较易进行与操控所得产品具有较大的比表面积, 可是洗刷困难、对质料要求较高且枯燥时刻太长等约束了它的运用, 在质料的广泛性上需进一步研讨, 以下降工艺本钱, 进步此办法的适用性。一起, 怎么改动工艺操控(如水解环境、枯燥办法及热处理途径等)以缩短出产周期仍是一个有待处理的难题。
1.2.4 微乳液法
微乳液一般由表面活性剂、助表面活性剂、油、水组成, 剂量小的溶剂被包裹在剂量大的溶剂中构成一个个纳米级的、表面由表面活性剂组成的微泡。微乳液法就是经过向由前驱物制得的微乳液中滴加酸化剂或催化剂, 使制备反响在微乳液泡内发作, 运用微乳液使固相的成核成长、凝聚、聚会等进程限制在一个细小的球形液滴微泡内, 然后构成纳米球形颗粒, 又避免了颗粒之间进一步聚会, 易完成粉体粒径的可控性出产。
微乳液在整个制备进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效果。为了能够到达抱负的效果, 制造微乳液所选取的表面活性剂的HLB (亲水亲油平衡值)应该与微乳液中油相的HLB 相匹配, 一起, 归纳运用多种表面活性剂可使微乳液愈加安稳。此外, 助表面活性剂和油相也起着十分重要的效果, 油的碳原子数加上助表面活性剂的碳原子数等于表面活性剂的碳原子数是微乳液构成的最佳条件。假如选用高速拌和器或超声波等混合手法, 更能在最短的时刻内制得液滴最为均一且尺度为纳米级的微乳液。经过微乳液, 再结合恰当的后处理工序, 将能够制得描摹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乳化剂为表面活性剂,为助表面活性剂, 为油相制备微乳液, 然后以浓硫酸为酸化剂得到白色沉积, 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, 选用了共沸蒸馏工艺脱去凝胶中剩余的水分,避免含水胶体在枯燥进程中发作粉末硬聚会现象, 使粉末的功能得到了进步。
微乳液法作为一种新式的制备办法, 因为其具有纳米级的自安装才能, 易于完成粒径与描摹的可控性制备而引起很多研讨者的爱好, 成为近年的研讨热门。可是因为其本钱高、产品的有机成份难以去除且易形成环境污染, 而尚未在工业上广泛运用。为了完成工业化出产, 在工艺上需求进一步研讨, 完成有机组分的别离与收回, 以及寻求有用的途径完成去除产品有机杂质的一起避免颗粒聚会等。2制备纳米二氧化硅的质料现在, 国内外对纳米二氧化硅的研讨首要选用硅酸钠和正硅酸乙酯为质料, 而工业出产的质料则以低价的硅酸钠为主。部分研讨者为了完成资源的收回运用, 运用煤酐石、稻壳等废弃物为质料, 成功制备了纳米二氧化硅; 咱们亦能够尾矿为质料制备纳米二氧化硅, 到达变废为宝的意图。运用各种硅含量较高的废弃物为质料制备纳米二氧化硅, 为部分废弃物供给了实际牢靠的出路, 完成资源增值, 缓解了工业出产对环境所形成的压力。3小结综上所述, 因为纳米二氧化硅被广泛地运用于各行各业, 对其制备办法的研讨得到了广泛的展开, 构成了多种多样的制备办法, 且跟着科技的开展与研讨的深化, 新的制备工艺将会不断被开发出来。可是, 现在纳米二氧化硅的制备技能仍难以满意各职业运用的需求, 面对许多有待处理的问题: 有用地处理颗粒硬聚会问题, 使其在制备与贮运进程中均匀涣散; 更有用地操控粉体的描摹, 下降本钱, 完成粉体粒径的可控性出产。
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