中國粉體網訊 近年來，隨著納米技術的發展，人們已經成功制備出多種納米粉體，如納米SiO2、納米TiO2、納米CaCO3等等。其中，納米SiO2是目前應用最廣泛的無機納米材料之一，由于其無毒、無味、無污染，且有高強度、高剛度、具有紫外吸收等特點，納米SiO2作為添加材料已被廣泛應用于聚合物類材料中，如涂料、膠黏劑、橡膠、塑料等領域，納米二氧化硅應用于聚合物中，可顯著改善聚合物的力學性能、耐磨性、彈性、耐水性、光穩定性等。廣闊的商業前景和經濟價值使得納米SiO2的制備、改性成為科學研究的熱點。
目前，國內外制備納米SiO2的方法主要有物理法和化學法兩種。物理法一般是利用高能球磨機或者超聲氣流粉碎機對SiO2聚集體進行多級粉碎，最終獲得產品，其產品粒徑一般為1-5μm。用物理法制備納米SiO2的優點是生產工藝簡單、產品粒度容易控制，但該工藝一般需要很大動力，故能耗較大、制備效率低，而且易混入雜質，影響產品的性能。此外，用物理法制備的納米SiO2還存在顆粒球形化差、粒度分布范圍寬、分布不均勻等缺點。
與物理法相比，使用化學法可制得純凈且粒徑分布均勻的納米SiO2。目前，化學法主要包括氣相法、沉淀法、溶膠-凝膠法、離子體交換法和微乳液法等。但就工業生產而言，主要制備方法包括以四氯化硅等為原料的氣相法、以硅酸鈉和無機酸為原料的沉淀法、以硅酸酯為原料的溶膠-凝膠法及微乳液法。
氣相法
氣相法是目前發達國家用于工業化生產納米SiO2的主要方法，利用該方法生產出的納米SiO2已被廣泛應用于各個領域。氣相法的生產原理是直接利用氣體或通過各種手段將反應物變成氣體，使之在氣態下發生物理變化和化學變化，而后在冷卻過程中凝聚長大形成納米微粒。
氣相法反應方程式
具體過程為：以有機硅烷鹵為原料，使之在氫氣和氧氣火焰中發生高溫（一般高達1200~1600℃）水解，生成顆粒極細的煙霧狀SiO2，煙霧狀的SiO2在聚集器中集成較大的顆粒，然后再經旋風分離器收集到脫酸爐中進行脫酸處理，即可得到成品納米SiO2，用此方法得到的納米SiO2粒徑一般在7~40nm之間，制得的產品純度高、分散性好、粒徑小，但對設備要求較高，工藝復雜，能耗大、生產成本高。
沉淀法
沉淀法納米SiO2是硅酸鹽通過酸化反應過程獲得的，該方法制備工藝簡單，能耗低，原料來源廣泛、價廉，但產品粒徑受酸化劑種類、濃度以及攪拌速度等因素的影響，且制得的產品形貌難控制，孔徑分布較寬，易形成聚集體顆粒，質量不如氣相法和溶膠-凝膠法的產品好，通常無法表現出納米材料應有的特性，而常作為普通填料用于聚合物增強增韌。
沉淀法反應原理示意圖
沉淀法制備SiO2不僅具有較大的吸水性，與氣相法相比，其耐熱性和電性能也較弱，并且當在其擠出成型的時候容易伴隨著發泡現象的產生，使得熱空氣難以發生硫化，相比于氣相法，補強效果較差。
沉淀法制備納米SiO2實際反應機理較為復雜，可簡單過程化為硅酸聚合、溶膠凝膠化形成SiO2顆粒。目前，沉淀法制備納米二氧化硅技術包括以下幾類：
(1)在有機溶劑中制備高分散性能的納米二氧化硅；
(2)酸化劑與硅酸鹽水溶液反應，沉降物經分離、干燥制備納米二氧化硅；
(3)堿金屬硅酸鹽與無機酸混和形成納米二氧化硅水溶膠轉變為凝膠顆粒，經干燥、熱水洗滌、再干燥，煅燒制得納米二氧化硅；
(4)水玻璃的碳酸化制備納米二氧化硅；
(5)通過噴霧造粒制備邊緣平滑非球型納米二氧化硅。
通過使用沉淀法制備高性能納米二氧化硅對硅橡膠補強，補強性能等價于氣相納米二氧化硅，該粒子綜合物理性能平衡，在低剪切條件下與硅橡膠混合即可獲得補強結構，通過確定合適配方、在一定硬度水平上使配合膠料獲得最佳的力學性能。
溶膠-凝膠法
溶膠-凝膠法（Sol-Gel）是用化學活性高的硅的化合物（比如硅酸酯、硅酸鹽）作前驅體，在液相下將這些原料混合均勻，然后加入酸，誘發硅酸根的水解；生成的原硅酸之間發生脫水縮合反應，在溶液中形成透明均一穩定的溶膠體系，溶膠陳化后膠粒之間緩慢聚合，形成三維網絡結構的凝膠；當凝膠網絡中間充滿失去流動性的溶劑，便形成凝膠。凝膠經過干燥、燒結固化即可制備出納米SiO2。
溶膠-凝膠法反應方程式
該法所制備的SiO2最終粒徑大小受水和催化劑（酸或堿）濃度、硅酸酯的類型、不同的醇及不同的溫度的影響。通過調控這些因素，可獲得各類結構的納米SiO2。采用Sol-Gel技術制得的SiO2形貌好，純度高，具有較大的比表面積，且易在溶液中取得良好的分散性和懸浮性。但與沉淀法相比，溶膠-凝膠法所用原料價格昂貴，制備的時間較長，制備過程比較復雜。
參考來源：
功能性納米二氧化硅的制備及其對不飽和聚酯的改性研究，姚海洋，河南大學2015
納米二氧化硅的制備及表面改性的研究，李延潔，蘇州大學2011
溶膠-凝膠法制備納米SiO2材料及其應用研究，苑廷玉，沈陽化工大學2020
（中國粉體網編輯整理/平安）
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