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天生我“材”!神奇的二氧化硅是如何在14个领域大显身手的


来源:中国粉体网   山川

[导读]  二氧化硅是极其重要的无机新材料之一,尤其是纳米级的二氧化硅由于其粒径很小,因此比表面积大,表面吸附力强,表面能大,化学纯度高、分散性能好、热阻、电阻等方面具有特异的性能,以其优越的稳定性、补强性、增稠性和触变性,在众多学科及领域内独具特性,有着不可取代的作用。

中国粉体网讯  二氧化硅是极其重要的无机新材料之一,尤其是纳米级的二氧化硅由于其粒径很小,因此比表面积大,表面吸附力强,表面能大,化学纯度高、分散性能好、热阻、电阻等方面具有特异的性能,以其优越的稳定性、补强性、增稠性和触变性,在众多学科及领域内独具特性,有着不可取代的作用。下面我们就来盘点一下纳米二氧化硅能够在哪些领域大显身手。



(图片来源于网络)


一、在橡胶行业中的应用


橡胶是一种伸缩性优异的弹性体,但其综合性能并不令人满意,生产橡胶制品过程中通常需在胶料中加入炭黑来提高强度、耐磨性和抗老化性,但由于炭黑的加入使得制品均为黑色,且档次不高。而二氧化硅在我国的问世为生产出色彩新颖、性能优异的新一代橡胶制品奠定了物质基础。在普通橡胶中添加少量二氧化硅后,产品的强度、耐磨性和抗老化性等性能均达到或超过高档橡胶制品,而且可以保持颜色长久不变。


在橡胶行业中,二氧化硅通常应用于硫化硅橡胶、医用橡胶制品、轮胎、胶管、胶带及生活用品中(胶鞋、电器及文体用品)。


二、在塑料行业中的应用


在热塑性塑料中,气相法二氧化硅可以提高塑料的韧性,它被添加到塑料中后,可以在不削弱材料刚性的前提下提高材料的韧性,甚至还能提高材料的刚性。


在热固性塑料中,如在环氧树脂中添加气相二氧化硅可明显改善其脆性,可以克服弹性体增韧而致的材料刚性和强度降低的缺陷,达到增强增韧的目的。

在塑料中,二氧化硅还可以作为阻燃剂使用。由于气相二氧化硅通过在凝聚相的物理过程提高了炭硅层的强度,使之能够阻止燃烧中热量和物质的传递。


三、在涂料中的应用


在光固化涂料中,将纳米二氧化硅填充到紫外光固化涂料中,使涂料固化后的硬度有显著提高,耐热性也有所改善。同时可提紫外光固化涂膜的固化速度、涂膜硬度、附着力和低温下的热稳定性。



(图片来源于网络)


在建筑涂料中,二氧化硅能有效降低涂料因紫外线和红外光照射造成的色差值,提高外墙涂料的抗老化性。还可以明显增强涂料的硬度、附着力、耐候性能,提高涂料的黏度和防沉能力,增强涂料的稳定性。


在喷墨打印纸涂料中,在颜料中加人纳米二氧化硅的话,可以制作性能良好的数码彩色喷墨打印纸专用涂料,不仅能够使涂料的载度适中,并且能够有效解决甲醛的问题,打印效果良好,材料易得,可以说经济又实用。


此外,在塑料、金属涂料中加入二氧化硅,能够明显的提高材料的性能。


四、在陶瓷领域中的应用


首先,二氧化硅是石英陶瓷的主要成分。其次,作为添加剂,它还可以有效的增强陶瓷性能。如:用二氧化硅代替纳米Al2O3添加到95瓷里,既可以起到纳米颗粒的作用,同时它又是第二相的颗粒,不但提高陶瓷材料的强度、韧性,而且提高了材料的硬度和弹性模量等性能,其效果比添加Al2O3更理想。


利用二氧化硅来复合陶瓷基片,不但提高了基片的致密性、韧性和光洁度,而且烧结温度大幅降低。此外,二氧化硅在陶瓷过滤网、刚玉球等陶瓷产品中应用效果也十分显著。


五、在药物载体领域和催化领域的应用


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。当纳米二氧化硅作载体时(UG-S07AG),可吸附抗菌离子达到抗菌的目的。可用于冰箱外壳、电脑键盘等的制造。纳米二氧化硅比表面积大、孔隙率高、表面活性中心多,在催化剂和催化剂载体方面有潜在的应用价值。以纳米二氧化硅为基本原料,采用溶胶-凝胶技术,可制备含纳米二氧化硅的复合氧化物。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。


六、在电子封装中的应用


电子封装的三大主材料是基板材料、塑封料、引线框架及焊料。塑封料中,环氧塑封料(EMC)是国内外集成电路封装的主流,在EMC中,二氧化硅微粉含量占60%~90%。在电子封装中,主要要求集成电路封装后高耐潮、低应力、低α射线,耐浸焊和回流焊,塑封工艺性能好。针对这几个要求,环氧塑封料必须在树脂基体里掺杂无机填料,现用的无机填料基本上都是硅微粉,具有降低塑封料的热膨胀系数,增加热导,降低介电常数,环保、阻燃,减小内应力,防止吸潮,增加塑封料强度,降低封装料成本等作用。



(图片来源于网络)


七、在密封胶、粘结剂中的应用


密封胶、粘结剂是量大、面广、使用范围宽的重要产品。它要求产品粘度、流动性、固化速度达最佳条件。我国在这个领域的产品比较落后,高档的密封胶和粘结剂都依赖进口。国外在这个领域的产品已经采用纳米材料作改性剂,而二氧化硅是首选材料,它主要是在二氧化硅表面包敷一层有机材料,使之具有憎水性,将它添加到密封胶中很快形成一种硅石结构,即二氧化硅小颗粒形成网络结构抑制胶体流动,加快固化速度,提高粘结效果,由于二氧化硅颗粒尺小从而也增加了产品的密封性和防渗性。


八、在玻璃钢制品中的应用


玻璃钢制品虽然有轻质、高强、耐腐蚀等优点,但其本身硬度较低、耐磨性较差。有关专家通过超声分散方法将二氧化硅添加到胶衣树脂中,与未加二氧化硅的胶衣做性能对比实验,发现其莫氏硬度由原来的2.2级(相当于石膏的硬度)提高到2.8~2.9级(3级是天然大理石硬度),耐磨性提高1~2倍,因纳米颗粒与有机高分子产生接枝和键合作用,使材料韧性增加,故抗拉强度和抗冲击强度提高1倍以上,耐热性能也大幅提高。


九、在化妆品中的应用


在防晒产品中以往多使用有机化合物为紫外线吸收剂,但是存在诸如为了尽可能保护皮肤不接触紫外线而提高添加量之后,会增加发生皮肤癌以及产生化学性过敏等问题,而二氧化硅为无机成分,易于与化妆品其它组分配伍,无毒、无味,不存在上述问题,且自身为白色,可以简单地加以着色,尤其可贵的是二氧化硅反射紫外能力强、稳定性好,被紫外线照射后不分解,不变色,也不会与配方中其它组分起化学反应。二氧化硅的这些突出特点为防晒化妆品的升级换代奠定了良好的基础。


十、在光学领域的应用


高压钠灯以及各种用于拍照、摄影的碘弧灯都要求强照明,但是灯丝被加热后69%的能量转化为红外线,这就表明有相当多的电能转化为热能被消耗掉,仅有一少部分转化为光能来照明,同时,灯管发热也会影响灯具的寿命,如何提高发光效率,增加照明度一直是急待解决的关键问题。80年代以来,科研技术人员用二氧化硅和纳米二氧化钛微粒制成了多层干涉膜,总厚度为微米级,衬在灯泡罩的内壁,结果不但透光率好,而且有很强的红外线反射能力。据专家测算同种灯光亮度下,该种灯具与传统的卤素灯相比,可节约15%的电能。


十一、在纺织领域中的应用


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、远红抗菌消臭、抗老化等方面。纳米材料添加的纤维还有一重要特性,就是对人体红外线有很强的吸收作用,这就可以增加保暖作用,减轻衣服的重量,用添加红外吸收纳米材料粉的纤维做成的衣服,其重量可减轻30%左右。


十二、农业及食品领域的应用


近年来,发达国家开发了纳米二氧化硅的一些新应用领域。如在农业中,利用纳米二氧化硅作为农业种子处理剂,可使蔬菜(甘蓝、西红柿、黄、棉花、玉米、小麦等)提髙产量,提前成熟。如纳米二氧化硅可应用于除草剂和杀虫剂中,若在粒状的杀虫刺配方中,加入少量纳米二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,比如添加了纳米二氧化硅的食品包装袋,对水果、蔬菜起到保鲜作用;应用纳米氧化硅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、菜各种疾病的髙效杀菌剂。


十三、在润滑领域的应用


二氧化硅还可以作为润滑剂,是一种优良的流动促进剂,主要作为润滑剂、抗黏剂、助流剂。特别适宜油类、浸膏类药物的制粒,制成的颗粒具有很好的流动性和可压性。还可以在直接压片中用作助流剂。作为崩解剂可大大改善颗粒流动性,提高松密度,使制得的片剂硬度增加,缩短崩解时限,提高药物溶出速度。颗粒剂制造中可作内干燥剂,以增强药物的稳定性。还可以作助滤剂、澄清剂、消泡剂以及液体制剂的助悬剂、增稠剂。


十四、在造纸中的应用


在造纸行业,气相二氧化硅产品可以用作纸张上胶剂,可以提高纸张的白度和不透明度,可以改进耐油性、耐磨性、手感性、印刷性、光泽性。而且还可以用于晒图纸,可以使纸张表面质量好、油墨稳定、背面无裂缝,并且可用于叠氮纸中,生产出优异蓝图纸,可用于铜板纸中代替钛白。


加入1-2%的气相二氧化硅产品,可以减轻纸的重量,而且纸薄,能够提高强度,防止油墨渗透,还能够使印刷文字清晰,增加不透明度。


参考来源:

[1]关志宇.药物制剂辅料与包装材料

[2]刘全校.二氧化硅材料在造纸中的应用

[3]中国粉体网


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