纳米级二氧化硅(化合物)

纳米级二氧化硅是一种化学物质,分子式是SiO₂。

物质概述

由于纳米二氧化硅(SiO₂)具有小尺寸效应,表面界面效应、量子尺寸效应和宏观量子遂道效应和特殊光、电特性、高磁阻现象、非线性电阻现象以及在高温下仍具的高强、高韧、稳定性好等奇异性,纳米二氧化硅可广泛应用各个领域,具有广阔的应用前景和巨大的商业价值。纳米二氧化硅是应用较早的纳米材料之一,关于纳米SiO₂在橡胶改性、工程塑料、陶瓷、生物医学、光学、建材、树脂基复合材料改性中的应用已有过许多报道,这里重点介绍纳米二氧化硅在其他领域的应用进展。

指标及应用

应用领域

1 在涂料领域

纳米二氧化硅(SP30)具有三维网状结构,拥有庞大的比表面积,表现出极大的活性,能在涂料 干燥时形成网状结构,同时增加了涂料的强度和光洁度,而且提高了颜料的悬浮性,能保持涂料的颜色长期不退色。在建筑内外墙涂料中,若添加纳米氧化硅(SP30),可明显改善涂料的开罐效果,涂料不分层,具有触变性、防流挂、施工性能良好,尤其是抗沾污染性能大大提高,具有优良的自清洁能力和附着力。纳米SiO2还可与有机颜料配用,可获得光致变色涂料,M.P .J .Peeters等用溶胶凝胶法合成了含纳米二氧化硅(同VK-SP30)的全透明的耐温涂料 H.Schmidt等合成了很厚的含纳米SiO2的涂料,并耐高温,在500℃下没有出现裂缝,Fayna Mamme ri等合成了P MMA- SiO2纳米涂料。明显增强了涂料的弹性和强度。

纳米氧化硅(同VK-SP30)具有常规SiO2所不具有的特殊光学性能,它具有极强的紫外吸收,红外反射特性。经紫外一可见分光光度计测试表明,它对波长400nm以内的紫外光吸收率高达70%以上,对波长800nm 以外的红外光反射率也达70%以上,它添加到涂料中能对涂料形成屏 蔽作用,达到抗紫外老化和热老化的目的,同时增加了涂料的隔热性,徐国财等通过纳米微粒填充法,将纳米氧化硅作掺杂到紫外光同化涂料中,明显地提高了紫外光固化涂料的硬度和附着力,还减弱了紫外光同化涂料吸收 UV辐射的程度,从而降低了紫外光同化涂料的同化速度。

2 在粘结剂和密封胶领域

密封胶和粘结剂是量大、使用范围广的重要产品。产品粘度、流动件、旧化速度等 有严格要求。目前,国内高档的密封胶和粘结剂都依赖进口。据介绍,国外在这个领域的产品已经采用纳米材料作添加剂,而纳米二氧化硅是首选材料。其作用机理是纳米SiO2表面包覆一层有机材料,使之具有疏水特性,将它添加到密封胶中能很快形成一种网络结构,抑制胶体流动,同化速率加快,提高粘接效果,同时由于颗粒细小,更增加了胶的密封性。

3 在纺织领域

随着科学技术的发展和人类生活水平的提高,人们对服装提出了舒适、新颖、保健的要求,各种功能化的纺织品应运而生。在此,纳米二氧化硅发挥了巨大的作用,目前,人们已将其应用到防紫外、远红外、抗菌消臭、抗老化等方面。例如,以纳米二氧化硅(同VK-SP30F)和纳米二氧化钛(T25F)的适当配比而成的复合粉体是抗紫外辐射纤维的重要添剂,又如,日本帝人公司将纳米二氧化硅(同VK-SP30)和纳米ZnO(同VK-JS03)混人化学纤维中,得到的化学纤维具有除臭及净化气的功能,这种纤维可被用于制造长期卧床病人和医院的消臭敷料、绷带、睡农等。

4 在杀菌剂领域

纳米二氧化硅具有生理惰性、高吸附性,在杀菌剂的制备中常用作载体,当纳米SiO2作载体时,可吸附抗菌离子,达到杀菌抗菌的目的,在报道可用于冰箱外壳、电脑键盘等的制造。

5 在催化领域

纳米二氧化硅的比表面积大、孔隙率高、表面活性中心多,在催化剂和催化剂载体方面具有潜在的应用价值。以纳米二氧化硅为基本原料,采和溶胶~凝胶技术,可制备含纳米氧化硅(SP30)的复合氧化物。此复合氧化物为催化剂载体时,对于许多结构敏感反应,将显示出独特的反应性能。反应的催化活性高,选择性好,反应中能长时间保持催化活性,Quan Zhang等以 ZrO/ SiO2为催化剂载体,用来催化异丙醇脱水,研究结果表明:反应副产物少,催化效率高,在最佳条件下,其选择性可达 100%。目前,常规SiO2 ( 20 ~ 100um) 用作作催化剂载体实现工业化生产的报道较多,但纳米二氧化硅(VK-SP30)在此领域实现大规模生产的报道并不多见,应积极开展这方面的研究。

6 在农业及食品领域

近来,发达国家开发了纳米二氧化硅的一些新的应用领域。如在农业中,用纳米二氧化硅制作农业种子处理剂,可使蔬菜( 甘蓝、西红柿、黄瓜) 、棉花、玉米、小麦提高产量,提前成熟期。又如纳米SiO2还可应用于除草剂和杀虫剂中,若在颗粒状的杀虫刺配方中,加入少量纳米氧化硅会有效地控制和防止有害物产生。

在食品行业中,纳米氧化硅也有许多应用之处。如添加纳米SiO2的食品包装袋,对水果、蔬菜可起到保鲜作用;应用纳米氧化硅(同VK-SP30)于酒类生产中可起到净化和延长保鲜期的作用;还可作防治水果、蔬菜各种疾病的高效杀菌剂。

7 在润滑油添加剂领域

纳米二氧化硅微粒表面含有大量的羟基和不饱和残键,可以在摩擦副表面形成牢固的化学吸附膜,从而保护金属摩擦表面,显著改善润滑油的摩擦性能。霍玉秋等发现,润滑油的承载能力在加人纳米SiO2后得到很大提高,当加入量为1.5时,PB值增大了近1倍,李小红 等还发现,SiO2纳米微粒作为润滑油添加剂表现出优异的抗磨减摩性能,并对磨损表而起到一定的修复作用。

8 其他领域

纳米氧化硅(SP30)具有高的表面能和吸附性质,有良好的稳定性及生物亲和性,可作为新型传感器;利用纳米SiO2无毒、无味、无污染以及耐蚀、可增强、增韧的特性,可大大地提高了人造牙齿的硬度及强度,也改善了其韧性。将纳米二氧化硅(SP30)应用于电刷镀工艺中,提高镀层的力学性能、改善镀层的微动磨损性能;纳米SiO2可用于油墨中作为分散剂和流量控制剂;在护肤产品、电子组装材料、隔热材料等方面都有着重要的应用,甚至能节约能源、保护环境。

展望

纳米二氧化硅(SP30)作为纳米材料家族中的一员,对其开发具有重要的实际意义。我国纳米材料的研究已取得许多成果,但纳米SiO2的应用才刚刚起步,随着对纳米SiO2研究的深入,应用领域的扩宽,纳米二氧化硅(SP30)会进一步工业化,纳米二氧化硅(SP30)材料也必然引起更多的关注,必将开辟更加广阔的应用前景。

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