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捋一捋硅微粉、白炭黑和纳米二氧化硅是啥关系


来源:中国粉体网   山川

[导读]  在化学界,除了“苏打四兄弟”(苏打、小苏打、大苏打、臭苏打)名字相近让人分不清之外,以二氧化硅为主要成分的一些硅粉物质同样让人容易搞错,比如硅微粉、白炭黑和纳米二氧化硅。

中国粉体网讯  不同于“苏打四兄弟”那样一根藤上四个瓜,每个瓜都有独立的化学式。这些硅粉物质有一个共同的化学式SiO2,尤其是白炭黑和纳米二氧化硅,虽然有些情况下两者可以互换“冒充”,但如果把两者之间划等号显然是不严谨的。那我们今天就来看一下,硅微粉、白炭黑和纳米二氧化硅到底是啥关系。


概念


硅微粉是由天然石英(SiO2)或熔融石英(天然石英经高温熔融、冷却后的非晶态SiO2)经破碎、球磨(或振动、气流磨)、浮选、酸洗提纯、高纯水处理等多道工艺加工而成的微粉。


白炭黑是无定型硅酸及硅酸盐类产品的统称,在橡胶工业中补强作用类似于炭黑,被称为白炭黑,分子式为SiO2·nH2O,其中nH2O是以表面羟基的形式存在,外观看起来一般是白色,是一种无定形没有气味及毒性的颗粒状固体。


     


纳米二氧化硅是指颗粒粒径在纳米量级(小于100nm)的超细二氧化硅颗粒。它是一种无定型、白色、无味、无毒的粉末状物质,是一种表面存在吸附水性羟基基团的纳米材料


不论是硅微粉、白炭黑还是纳米二氧化硅,这3者的主要成分都是SiO2。不同的是白炭黑除了指沉淀二氧化硅、气相二氧化硅和超细二氧化硅凝胶外,还包括粉末状硅酸铝和硅酸钙等,大多情况下它的组成可用SiO2·nH2O表示,其中nH2O是以表面羟基的形式存在。


物质结构


硅微粉


二氧化硅有晶态和无定形非晶体两种形态,从硅微粉的概念上来看,它是二氧化硅微粉的统称,所以硅微粉包含晶体状态和非晶体状态,它是以硅氧四面体为基本结构形成的立体网状结构。




二氧化硅原子结构


白炭黑


白炭黑是非晶型的无定形二氧化硅颗粒,具有一定的枝杈结构。它同样拥有由硅和氧构成的空间四面体网状结构,氧位于四面体的顶点之上,硅位于四面体的中心位置,这种结构的特点就在于顶点上的氧和其他各个面上的顶点共点,使得SiO2 呈电中性。


白炭黑的表面有三种不同类型的羟基:一种羟基为在脱过水的白炭黑表面存在的硅氧基,温度的增加不易脱除硅氧基;另一种羟基因为其含有正电性H原子,因此特别容易与具有负电性的原子发生氢键结合,被称为隔离羟基;还有一种是对极性物质具有很强的吸附作用,彼此之间能以氢键的形式互相结合的相邻羟基。



白炭黑结构示意图


纳米二氧化硅


纳米二氧化硅外观为无定形白色粉末,呈絮状和网状的准颗粒状态。其微观结构近似球形,颗粒表面存在不饱和的残键及不同键合状态的羟基,其分子状态是三维链状结构。


 


性质


硅微粉


1、具有良好的绝缘性:由于硅微粉纯度高,杂质含量低,性能稳定,电绝缘性能优异,使固化物具有良好的绝缘性能和抗电弧性能。


2、能降低环氧树脂固化反应的放热峰值温度,降低固化物的线膨胀系数和收缩率,从而消除固化物的内应力,防止开裂。


3、抗腐蚀性:硅微粉不易与其他物质反应,与大部分酸、碱不起化学反应,其颗粒均匀覆盖在物件表面,具有较强的抗腐蚀能力。


4、颗粒级配合理,使用时能减少和消除沉淀、分层现象;可使固化物的抗拉、抗压强度增强,耐磨性能提高,并能增大固化物的导热系数,增加阻燃性能。


5、经硅烷偶联剂处理的硅微粉,对各类树脂有良好的浸润性,吸附性能好,易混合,无结团现象。


6、硅微粉作为填充料,加入有机树脂中,不但提高了固化物的各项性能,同时也降低了产品成本。


白炭黑


白炭黑是一种多孔性的物质,化学性质非常稳定,不燃,耐高温,无味,无臭,电绝缘性良好,其聚集体形态和微观结构与炭黑相似。白炭黑的用途十分广泛,可作为补强剂用于橡胶制品、分散剂、载体等。


纳米二氧化硅


纳米二氧化硅是一种无毒、无味、无污染的白色无机非金属材料 ,颗粒粒径小(0-100nm)。 其比表面积大 ,对紫外、红外、可见光具有极强的反射特性 ,纳米二氧化硅的体积效应和量子隧道效应使其产生游渗作用 ,可与有机分子化合物形成空间网状结构 ,从而大幅度提高高分子材料的力学强度、韧性、耐磨性和耐老化性等。


部分纳米二氧化硅的技术指标表



分类


硅微粉


硅微粉根据用途可分为普通硅微粉(PG)、电工级硅微粉(DG)、电子级硅微粉(JG);按其颗粒形态分为角形硅微粉和球形硅微粉;其中以石英矿或硅石为原料直接粉磨得到的硅微粉称为结晶硅微粉,以熔融石英为原料粉磨得到的硅微粉称为熔融硅微粉(RG)。


对上述硅微粉进行有机表面改性后分别称为普通活性硅微粉(PGH)、电工级活性硅微粉(DGH)、电子级结晶型活性硅微粉(JGH)、电子级熔融型活性硅微粉(RGH)及球形硅微粉。


白炭黑


白炭黑根据它的制备方法分为沉淀法白炭黑、气相法白炭黑、非金属矿白炭黑及禾本科植物法白炭黑。


纳米二氧化硅


纳米二氧化硅根据它的制备方法分为物理法与化学法纳米二氧化硅。其中化学法又分为化学气相反应法、沉淀法、溶胶 -凝胶法、微乳液法及固相反应法。


应用


硅微粉



白炭黑



纳米二氧化硅




总结


综上所述,三者在概念上有所不同,但还是存在一定的关系。


1、三者成分都是SiO2,只不过白炭黑在大多数情况下它的组成可用SiO2·nH2O表示,其中nH2O是以表面羟基的形式存在。


2、在原子结构上三者都有硅氧四面体结构,但在微观结构上白炭黑表面存在三种不同类型的羟基。


3、在性质上,三者都具有无色无味、比表面积大、绝缘、稳定的特性。


4、在应用上,三者都广泛应用于橡胶、陶瓷、塑料、涂料油漆等领域,应用范围有所交叉重合。另外,白炭黑在橡胶制品中代替炭黑得到了非常广泛的应用。


参考文献:

【1】卢英常,张跃英.硅微粉的用途及生产技术.中国非金属矿工业导刊

【2】马倩倩.白炭黑的制备与发展趋势

【3】李志伟,张羽熙,韩威,杨国华,崔兆纯,韩苗苗,王玲,李存国.白炭黑的制备及研究发展趋势.华北理工大学.河北省矾山磷矿有限公司

【4】孙静静,许利剑.纳米二氧化硅的改性及其应用的新进展.化工时刊

【5】褚艳兰,张凯. 纳米二氧化硅的研究现状与进展.商丘师范学院

【6】周美珍,叶楠. 纳米二氧化硅的应用进展. 宁德师范学院

【7】何奕锋,徐文彬,宾利英,罗彬源,黎俞娟,萧婉莹. 纳米二氧化硅粉体的制备研究进展. 广东工业大学环境科学与工程学院

【8】王霞.浅谈硅微粉在氧化铝泡沫陶瓷中的作用. 杭州中亚特种耐火材料有限公司

【9】徐鹏金.浅谈高纯超细硅微粉的生产与应用

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