【原创】 全能型选手!纳米二氧化硅在16个领域的应用速览


来源:中国粉体网   平安

[导读]  纳米二氧化硅为传统产品的提档升级换代带来划时代的意义!

中国粉体网讯  由于纳米SiO2的量子尺寸、量子隧道效应和它的特殊光、电特性、高磁阻现象、非线性电阻现象以及高温下仍具有的高强、高韧、稳定性好等奇异特性,使纳米SiO2可广泛应用于诸多领域,几乎涉及所有应用SiO2粉体的行业,为传统产品的提档升级换代带来划时代的意义!目前,纳米二氧化硅主要应用在以下领域:



纳米二氧化硅


1、在电子封装材料中的应用

高纯球形纳米SiO2作为一种新型紧缺矿物材料,由于其具有高介电、高耐热、高耐湿、高填充量、低膨胀、低应力、低杂质、低摩擦系数等优越性能,在电子、电器等诸多领域具有广阔的应用前景,是大规模、超大规模集成电路封装所必需的主要原材料。

目前,国内外的电子封装材料大多为高聚物,其中,采用最为广泛的是填充70%~90%高纯球形纳米二氧化硅粉的环氧树脂。环氧树脂的高吸水率和粘度限制了它在超大规模集成电路中的应用,可以向环氧树脂中添加大量二氧化硅微粉,这样可降低塑封料的热膨胀系数、吸水率、内部应力、收缩率和改善热导率。

2、在橡胶改性中的应用

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。而纳米SiO2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。

3、在涂料中的应用

纳米SiO2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。它添加到涂料中能令涂料形成屏蔽作用,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。纳米SiO2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,而且还提高了颜料的悬浮性,能保持涂料的颜色长期不变。在建筑内外墙涂料中,若添加纳米SiO2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。

4、在颜料中的应用

有机颜料虽具有鲜艳的色彩和很强的着色力,但一般它的耐光、耐热、耐溶剂和耐迁移性能往往不及无机颜料。研究人员通过添加纳米SiO2对有机颜料进行表面改性处理,不但使颜料抗老化性能大幅提高,而且亮度、色调和饱和度等指标也均出现一定程度的提高,极大地拓宽了有机颜料的档次和应用范围。

5、在塑料工程中的应用

将纳米SiO2作为添加剂添加到塑料中,不仅起到常规SiO2所起的补强效果,而且它还可使塑料具有许多新的特性。将纳米SiO2用于对光学塑料的表面改性,可以在塑料表面形成硬涂层,改善了塑料表面的耐磨性和抗划伤性。如日本板硝子公司利用PLD法在塑料表面形成附着力强的致密纳米SiO2薄膜,从而获得改善耐候性、耐药品性、耐磨性、赋予防污性、提高无机物质的附着性等优良的效果。纳米SiO2若用于半透明塑料薄膜,可提高薄膜的透明度、强度和韧性,防水性能也大大提高,这类薄膜可以作为特殊用途的高级薄膜。在通用塑料中,若加入纳米粒子能使其达到工程塑料的性能。如将纳米SiO2加入聚丙烯中,其强度可与工程塑料尼龙相媲美。

6、在粘结剂和密封胶中的应用

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。据报道,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SiO2是首选材料。其作用机理是在纳米SiO2表面包覆一层有机材料,使之具有亲水特性,将它添加到密封胶中能很快形成一种硅石结构,即纳米SiO2形成网络结构,抑制胶体流动,固化速率加快,提高粘接效果,同时由于颗粒小更增加了胶的密封性。

7、在陶瓷制品中的应用

陶瓷具有高抗压强度、耐蚀耐热、绝缘性好等特点,其缺点是质脆,需要高温烧制。研究者们在陶瓷制品中添加适量的纳米SiO2,大大降低了陶瓷制品的脆性,使其韧性提高几倍甚至几十倍,光洁度也明显提高,还使陶瓷能在较低的温度下烧制。此外,纳米SiO2在陶瓷过滤网、刚玉球等陶瓷产品中应用效果也较为显著。

8、在纺织行业中的应用

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SiO2发挥了巨大的作用。目前,人们已将其应用于防紫外、远红外、抗菌消臭、抗老化等方面。例如,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。又如,日本帝人公司将纳米SiO2和纳米ZnO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。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、睡衣等。

9、在生物医学工程中的应用

20世纪80年代初,人们开始利用纳米微粒实现细胞分离,建立用纳米SiO2微粒进行细胞分离的新技术。该法主要是先制备纳米SiO2微粒(粒径15~20nm),再将其表面包覆单分子层,包覆层的选择主要根据所要分离的细胞种类而定,然后制取含有多种细胞的聚乙烯毗咯烷酮胶体溶液;接着将纳米SiO2包覆粒子均匀分开到含有多种细胞的聚乙烯毗咯烷酮胶体溶液中;再通过离心技术,利用密度梯度原理将所需要的细胞分离出来。此法的优点是易形成密度梯度,实现纳米SiO2粒子与细胞的快速分离,而且纳米SiO2粒子一般不会与胶体溶液和生物溶液反应,也不会污染生物细胞。

纳米SiO2具有高吸收性、分散性、增稠性,在药物制剂中得到了广泛的应用。如在雷尼替丁、甲晴米胺、派仑西平等药物中,加入少量的纳米SiO2可改变其流动性;加入少量的纳米SiO2于灰黄霉素中,可改变其溶解速度,即改变难溶药物在水中的分散性和吸收性;加入少量的纳米SiO2于含有阿司匹林的药粉中,会改变药粉的抗静电性。另外,医学工程中,用各种纳米粒子注入人体的各个部位可检查诊断病变和治疗,如用纳米SiO2微粒可进行定位病变治疗。

10、在光学领域中的应用

纳米材料合成的单层薄膜和多层薄膜主要用来作为红外线反射材料。纳米微粒的膜材料在灯泡工业中有着良好的应用前景。20世纪80年代以来,人们用纳米SiO2和TiO2制成多层干涉膜,衬在灯泡罩的内壁,结果不但透光率好,而且有很强的红外反射能力,有这种多层膜的灯泡可节电13.15%。纳米微粒作为光纤材料可以大大降低光导纤维传输损耗。高纯度的纳米SiO2作为光导纤维,对波长大于600nm的光的传输损耗小于10db/km,此值比以常规SiO2材料的光传输损耗小许多倍。

11、在杀菌剂中的应用

纳米SiO2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,有报道产品可用于冰箱外壳、电脑键盘等的制造。国内研究人员利用纳米SiO2庞大的比表面积、表面多介孔结构和超强的吸附能力以及奇异的理化特性,将银离子等功能离子均匀地设计到纳米SiO2表面的介孔中,成功开发出高效、持久、耐高温、广谱抗菌的纳米抗菌粉(粒径只有70纳米左右),其主要技术指标均达到或超过日本同类产品。

12、在树脂基复合材料改性中的应用

(1)不饱和聚酯树脂改性

树脂基复合材料虽有轻质、高强、耐腐蚀等优点,但也有其不足之处。如树脂基本身硬度较低,莫氏硬度一般只有2级左右(相当于石膏的硬度),耐磨性也较差。若添加纳米SiO2于树脂材料中,可大大改善其各项性能。据报道,添加纳米SiO2于不饱和聚酯树脂中,所得材料的莫氏硬度可接近天然大理石硬度(3级),抗拉强度提高1倍以上,耐磨性也可提高1~2倍。而且表面光洁度好,耐水性、耐热性都有了较大的改善。

(2)环氧树脂复合材料改性

环氧树脂具有良好的机械、电气、粘结性、化学稳定性等性能,使其在粘合剂、电气绝缘材料和复合材料等方面有着重要的应用,但是,环氧树脂最大的弱点是固化物的脆性大。传统的增韧方法可使材料强度成倍提高,却不可避免地使材料的其它性能有所下降。纳米技术的兴起,为这种材料的改性迎来了新的革命。把纳米SiO2添加到环氧树脂中,在结构上完全不同于粗晶SiO2添加的环氧树脂基复合材料,粗晶SiO2一般作为补强剂加入,它主要分布在高分子材料的链间中,而纳米SiO2由于表面严重的配位不足、庞大的比表面积以及表面欠氧等特点,使它表现出极强的活性,很容易和环氧环状分子的氧起键合作用,提高了分子间的键力,同时尚有一部分纳米SiO2颗粒仍然分布在高分子链的空隙中,与粗晶SiO2相比较,表现很高的流涟性,从而使纳米SiO2添加的环氧树脂材料强度、韧性、延展性均大幅度提高。

(3)聚丙烯树脂改性

在聚丙烯树脂中添加2%~5%的纳米SiO2制成聚丙烯产品,其强度和韧性明显提高,具有良好的低温冲击性能,且尺寸稳定,加工性能改善,有较好的表面光洁度,适合于制作汽车车身防护板、保险杠和设备仪表组件等,可代替尼龙改性聚苯醚和塑料合金等高级材料,从而降低汽车生产成本。

13、在催化剂和催化剂载体方面的应用

纳米SiO2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SiO2为基本原料,采用溶胶-凝胶技术,可制得含纳米SiO2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。研究人员以ZrO2/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)用作催化剂载体实现工业化生产的报道较多,但纳米SiO2在此领域实现大规模生产的报道并不多见。

14、在农业及食品行业中的应用

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。又如纳米SiO2还可应用于除草剂和杀虫剂中,若在颗粒状的杀虫剂配方中加入少量纳米SiO2会有效地控制和防止有害物产生。

在食品行业中,纳米SiO2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SiO2于酒类生产中可起到净化和延长保鲜期的作用;还可用作防治水果、蔬菜各种疾病的高效杀菌剂。

15、在化妆品领域的应用

二氧化硅纳米颗粒化学稳定性强,在紫外光照射下不易分解,满足了化妆品及防晒用品需对日光紫外线具屏蔽能力的要求,并且颗粒颜色为白色,所以添加于化妆品中不但可达到防晒效果,也可以实现美白功效。

16、在彩色喷墨打印中的应用

将纳米二氧化硅应用在彩色喷墨打印中,可以提高打印质量、缩小墨点面积、提高色密度、增强图像逼真度,这是因为其具有优良的固墨性能和特定的微孔网络。

参考来源:

丁艺:高纯纳米球形SiO2的制备与表征,成都理工大学

张飞飞:二氧化硅纳米颗粒的功能化改性及应用研究,济南大学

(中国粉体网编辑整理/平安)

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作者:平安

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