珠海欧美克仪器有限公司

都在这!纳米SiO2,改性方法及应用详细总结


来源:中国粉体网   漫道

[导读]  纳米SiO2是极具工业应用前景的纳米材料,它的应用领域十分广泛,几乎涉及到原所有应用SiO2粉体的行业。纳米二氧化硅的粒径小、比表面积大、生物相容性好,且具有纳米材料的表面界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应等优点。

纳米SiO2是极具工业应用前景的纳米材料,它的应用领域十分广泛,几乎涉及到原所有应用SiO2粉体的行业。纳米二氧化硅的粒径小、比表面积大、生物相容性好,且具有纳米材料的表面界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应等优点。就作为填料而言,不改变工艺流程,而只是替代粗晶SiO2,其制品的各项性能指标均会大幅提高,而纳米SiO2的应用也远不止于此。

 

但是纳米二氧化硅表面能高,处于热力学非稳定状态,极易聚集成团,不易与有机物充分混合,同时二氧化硅表面亲水疏油,在有机介质中难于均匀分散,与有机基体之间结合力差,易造成界面缺陷,使复合材料性能降低。



图1 二氧化硅纳米粒子示意图


要解决上述纳米二氧化硅的分散性和与有机基体的相容性问题,必须对其进行表面改性,减弱二氧化硅表面的极性,降低二氧化硅表面的能态,以提高纳米粒子与有机基体间的相容性。


纳米二氧化硅改性方法

 

1.热处理方法

热处理可以使纳米二氧化硅表面吸附水量降低,这是由于高温加热将促使以氢键缔合的连生硅羟基发生脱水反应形成稳定的键合,从而导致吸附水量降低。这种方法虽然经济、简便,但是通过热处理仍不能使纳米二氧化硅与有机物的结合效果得到很好的改善。因此,实际的热处理工艺通常是在200一400℃条件下添加含锌化合物进行热处理,或者是先使用硅烷和过渡金属离子对纳米二氧化硅处理后,再进行热处理。

 

2.化学改性方法

纳米二氧化硅表面改性的化学方法可以分为无机物改性和有机物改性。无机物改性通常选用二氧化钛来包覆纳米二氧化硅,而用有机物改性则是纳米二氧化硅表面改性的主要方法,下面作重点介绍。

 

(1)偶联剂改性法

 

在纳米二氧化硅常用的偶联剂改性法中,硅烷偶联剂的应用最为广泛,其可与纳米二氧化硅表面的羟基缩合成硅氧键。

 

采用偶联剂对纳米二氧化硅进行表面改性时,偶联剂需要先水解,才能与纳米二氧化硅反应。而其水解产物会发生自缩合,对水解产物与二氧化硅表面羟基的反应造成阻碍,在一定程度上降低偶联的效能,使纳米二氧化硅的表面改性不完全。

 

(2)醇酯改性法

 

醇酯法是在高温高压条件下,采用脂肪醇与纳米二氧化硅表面的羟基反应,以达到改变二氧化硅表面润湿性的目的。


图2 与脂肪酸的化学反应



图3 与醇的化学反应

 

与硅烷偶联剂法相比,醇酯法的优点在于改性剂脂肪醇的价格较低廉,易于合成且结构容易控制。但改性效果受醇的烷基链长度的影响,且需要在高温高压下进行,对反应条件要求较高。

 

(3)聚合物接枝改性法

 

通过特定方式将聚合物接枝到纳米二氧化硅表面,可有效提高粒子的疏水性并改善其在纳米复合材料中的界面亲和性。接枝聚合物的长链结构可以与基体聚合物之间产生链缠结,使这种修饰更为均匀紧密,同时可根据需要选择不同的接枝单体及接枝条件,使改性更具多样性和可控性。

 

图4 表面接枝聚合物化学反应

 

聚合物接枝改性纳米二氧化硅根据接枝方式的不同可分为“Grafting to”和“Grafting from”。

 

“Grafting to”法一般是指将末端功能化聚合物共价连接到纳米二氧化硅表面。

 

“Grafting from”法则是利用纳米二氧化硅表面的大量羟基,先将可引发聚合的活性点,如阳离子、阴离子或自由基等引入纳米二氧化硅表面,再引发周围单体在粒子表面发生聚合,使聚合物长在纳米二氧化硅表面上。

 

“Grafting from”法以原位接枝预聚物链段引入聚合物,空间位阻并不会限制在活性引发位点上较小的单体分子的接枝增长,具有较高的接枝效率。但在与材料复合的过程中,纳米二氧化硅表面连接的长链高分子可能发生缠结而使相邻的二氧化硅再次团聚在一起,不利于其在聚合物基体中进一步分散。

 

(4)原位改性法

 

一般化学改性可有效降低纳米二氧化硅的团聚,但也存在纳米二氧化硅在改性前就团聚的问题。因此,可考虑在纳米二氧化硅的制备过程中完成改性以得到表面功能化的二氧化硅粒子。

 

黄芬等人采用溶胶-凝胶法原位生成有机硅改性的纳米二氧化硅粒子,并结合环氧聚酯制备了TH1178-2耐电晕无溶剂绝缘漆,与直接掺杂纳米二氧化硅改性相比,原位生成的改性纳米二氧化硅粒子分散更为均匀,无明显团聚现象出现,所制备的耐电晕漆的耐电晕性能、电气性能和力学性能等均更为优良。

 

纳米SiO2的应用

(1)在陶瓷方面的应用

研究者们在陶瓷制品中添加适量的纳米SiO2,不但大大降低了陶瓷制品的脆性,而且使其韧性提高几倍甚至几十倍,光洁度亦明显提高,还使陶瓷在较低温度下烧制,从而使陶瓷制品档次提高数级。

 

(2)在塑料领域中的应用

常规SiO2作为补强剂添加到塑料中,可提高塑料的使用性能,而纳米SiO2的作用不仅是补强,它还具有许多新的性能,这主要是利用纳米SiO2透光、粒度小,可以使塑料变得更加致密。在聚苯乙烯塑料薄膜中添加纳米SiO2,可以提高其透明度、强度、韧性,而且防水性能和抗老化性能也有相应提高。纳米SiO2改性聚氯乙烯防水卷材,其性能指标均达到或超过三元乙丙橡胶防水卷材。

 

(3)在橡胶领域中的应用

纳米SiO2添加的新型橡胶不但具有优越的力学特性,同时还可以根据需要设计具有特殊性的新型橡胶。这种新型材料中的纳米SiO2不仅具有补强的作用,而且具有常规橡胶不具备的一些功能特性。另外,还可利用纳米SiO2改性轮胎侧面胶生产彩色轮胎。

 

(4)在涂料中的应用

纳米SiO2具有极强的紫外和红外反射特性。因此,它添加到涂料中能对涂料形成屏蔽作用,从而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。另外,纳米SiO2还具有三维网状结构,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,不仅增加了涂料的强度和光洁度,而且还能保持涂料的颜色长期不变。

 

(5)在纺织领域中的应用

以纳米SiO2和纳米TiO2的适当配比而成的复合粉体是抗紫外辐射纤维的重要添加剂,将纳米SiO2和纳米TiO2混入化学纤维中,得到的化学纤维具有除臭及净化空气的功能。

 

(6)在其他方面的应用

在农业中,应用纳米SiO2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。此外,纳米SiO2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改性的防晒霜对紫外光的屏蔽达99%,已完全替代了防晒品中以往使用的有机紫外光吸收剂。

 

另外,在电子组装材料、密封胶、粘结剂、功能纤维、催化剂和催化剂载体、木材及环保吸附等方面也都有着重要的应用。

 

参考文献

刘俊渤等.纳米二氧化硅的开发与应用

陈博等.纳米二氧化硅表面改性研究进展

芳明.纳米二氧化硅的制备、表面改性和应用前景

张密林等.纳米二氧化硅的制备、改性与应用研究进展

张欣萌.纳米二氧化硅表面改性

 


推荐8
相关新闻:
网友评论:
0条评论/0人参与 网友评论

版权与免责声明:

① 凡本网注明"来源:中国粉体网"的所有作品,版权均属于中国粉体网,未经本网授权不得转载、摘编或利用其它方式使用。已获本网授权的作品,应在授权范围内使用,并注明"来源:中国粉体网"。违者本网将追究相关法律责任。

② 本网凡注明"来源:xxx(非本网)"的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责,且不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。如其他媒体、网站或个人从本网下载使用,必须保留本网注明的"稿件来源",并自负版权等法律责任。

③ 如涉及作品内容、版权等问题,请在作品发表之日起两周内与本网联系,否则视为放弃相关权利。

  • 即时排行
  • 周排行
  • 月度排行
图片新闻