單分散納米二氧化硅的制備研究進(jìn)展

1、<p>　　單分散納米二氧化硅的制備研究進(jìn)展</p><p>　　[摘 要]介紹了目前常用的單分散納米二氧化硅粒子的制備方法，闡述了各方法的制備機(jī)理，并總結(jié)了各方法目前的研究進(jìn)展。最后對(duì)單分散納米二氧化硅的制備前景進(jìn)行了展望。 </p><p>　　[關(guān)鍵詞]納米二氧化硅；單分散；制備方法 </p><p>　　中圖分類號(hào)：O613.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

2、文章編號(hào)：1009-914X（2015）35-0345-01 </p><p><b>　　前言 </b></p><p>　　作為最為被人熟悉和應(yīng)用的單分散納米粒子，納米SiO2因其獨(dú)特的光學(xué)、機(jī)械以及良好的分散和粘合能力，得到了人們?cè)谙鹉z塑料、涂料、復(fù)合納米粒子、多孔材料等眾多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。目前，研究較多的制備方法主要有經(jīng)典St？ber法、微乳液法、硅溶解法和離

3、子交換法等。 </p><p>　　1 單分散納米二氧化硅的制備 </p><p>　　1.1 經(jīng)典St？ber法 </p><p>　　1.1.1制備方法及原理 </p><p>　　St？ber等人進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究和討論分析，整個(gè)過(guò)程可以概括為水解和縮合兩部分： </p><p><b>　?、偎猓?/p>

4、②縮合： </b></p><p>　　單分散二氧化硅粒子的形成機(jī)理如圖1-1所示： </p><p>　　1.1.2研究進(jìn)展 </p><p>　　董鵬[1]等對(duì)反應(yīng)過(guò)程中正硅酸乙酯的水解動(dòng)力學(xué)、硅酸聚合的動(dòng)力學(xué)、二氧化硅粒子的生長(zhǎng)機(jī)制和新核的產(chǎn)生規(guī)律等都做了考察，并據(jù)此完善了一種連續(xù)法生長(zhǎng)單分散顆粒的技術(shù)。趙麗等[2]通過(guò)實(shí)驗(yàn)考察了氨催化下的TEOS

5、在醇/水混合溶劑中水解反應(yīng)的多個(gè)影響因素對(duì)所制備的二氧化硅的形貌和大小的影響，并仔細(xì)討論和研究了不同反應(yīng)條件影響下的粒子形成機(jī)理和動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)。 </p><p><b>　　1.2 微乳液法 </b></p><p>　　1.2.1制備方法及原理 </p><p>　　其一般方法是反應(yīng)物通過(guò)微乳液中的膠束表面滲透擴(kuò)散并反應(yīng)生長(zhǎng)，最終得到單分散納

6、米粒子。在微乳液法中，改變體系配方是一個(gè)主要因素，除此之外，還可以調(diào)節(jié)水與原料硅源或體系中表面活度劑的分子數(shù)之比，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)物二氧化硅粒子的形貌、分散性、大小的有效控制。 </p><p>　　1.2.2研究進(jìn)展 </p><p>　　徐磊[3]等人實(shí)現(xiàn)了對(duì)二氧化硅粒子尺寸大小的調(diào)控，并考察了原料水玻璃的選擇、乳化劑用量和種類等對(duì)乳液的形成以及制得二氧化硅粒度大小和分布的影響。陳小泉等[4

7、]在Tween60/環(huán)己烷與 Span80/硝酸溶液兩種不同的體系中，研究了水解正硅酸乙酯TEOS的實(shí)驗(yàn)，并最終成功合成了100～500 nm的單分散二氧化硅粒子。 </p><p><b>　　1.3 硅溶解法 </b></p><p>　　1.3.1制備方法及原理 </p><p>　　硅溶解法是一種利用水與單質(zhì)硅作原料，并以堿作為催化劑加

8、熱溶解來(lái)制備二氧化硅粒子的反應(yīng)。這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是，單質(zhì)硅一步反應(yīng)完成得到二氧化硅粒子，避免了反應(yīng)過(guò)程中可能的雜質(zhì)引入，得到的粒子較為純凈，且粒子外形的球形度好，產(chǎn)品的粒徑、pH值、濃度等指標(biāo)易控制。 </p><p>　　1.3.2 研究進(jìn)展 </p><p>　　姜德源等[5]用200目的純單質(zhì)硅粉作原料，用NaOH稀溶液作為催化劑，在95℃左右的溫度下加熱攪拌，得到質(zhì)量濃度在30%左右

9、的硅溶膠。Joseph.H Balthis等[6]利用有機(jī)堿（如多碳脂環(huán)胺和脂肪胺）作為催化劑制備得到了穩(wěn)定的20nm以下的二氧化硅粒子，并成功申請(qǐng)了專利。 </p><p>　　1.4 離子交換法 </p><p>　　1.4.1制備方法及原理 </p><p>　　離子交換法是一個(gè)以水玻璃制備二氧化硅的過(guò)程，主要包括：（1） 原料預(yù)處理，進(jìn)行離子交換制備活性硅酸

10、；（2） 活性硅酸加熱制備母核；（3）連續(xù)進(jìn)料活性硅酸，制備單分散二氧化硅粒子。 </p><p>　　由于硅酸在不同酸堿性溶液中的存在的配位形式不同，因此其相互之間的聚合機(jī)理也不盡相同。 </p><p>　　1.4.2研究進(jìn)展 </p><p>　　在專利US3440174中Albrecht[7]等通過(guò)控制進(jìn)料向低濃度的硅溶膠原料中滴加活性硅酸，利用間歇式一步法

11、，成功得到了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%、粒徑范圍為45nm～100nm的大粒徑二氧化硅溶膠。在國(guó)內(nèi)，許念強(qiáng)等[8]通過(guò)離子交換法，在高溫高壓條件下制得了高濃度的酸性硅溶膠；并在之后改進(jìn)了方法，避免了高溫和高壓的苛刻條件，而采用相對(duì)簡(jiǎn)單且易控制的滴加工藝來(lái)制備硅溶膠的方法。 </p><p>　　2 國(guó)內(nèi)外納米二氧化硅制備研究現(xiàn)狀 </p><p>　　2.1 國(guó)外研究發(fā)展與現(xiàn)狀 </p>

12、<p>　　在國(guó)外，二氧化硅粒子的制備發(fā)展較快。首先，美國(guó)的杜邦公司于二十世紀(jì)中葉通過(guò)離子交換法制備出了粒徑范圍在10nm～15nm的硅溶膠開(kāi)啟了批量生產(chǎn)硅溶膠的工業(yè)化道路。 </p><p>　　早期的研究，多為高溫高壓下，條件和裝置較為復(fù)雜，反應(yīng)條件苛刻，因此不適宜工業(yè)化生產(chǎn)。但隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，到本世紀(jì)末，國(guó)外生產(chǎn)硅溶膠的工藝已經(jīng)較成熟，如美國(guó)杜邦公司、Nissan Chemical Ame

13、rica、AKZO NOBEL等國(guó)際公司，已經(jīng)能夠大批量的生產(chǎn)大顆粒、高濃度、性質(zhì)穩(wěn)定的硅溶膠，其產(chǎn)品近年來(lái)在國(guó)際市場(chǎng)有著很大的需求量，并開(kāi)始紛紛進(jìn)入我國(guó)的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。 </p><p>　　2.2 國(guó)內(nèi)研究發(fā)展與現(xiàn)狀 </p><p>　　我國(guó)二氧化硅粒子的研制和生產(chǎn)起步較晚，始于二十世紀(jì)五十年代。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的科研工作者在單分散二氧化硅制備方面有了一定的研究進(jìn)展和成果，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了納米二氧

14、化硅的工業(yè)生產(chǎn)。但目前，我國(guó)生產(chǎn)硅溶膠的公司大約只有三十家左右，其中年產(chǎn)量超過(guò)萬(wàn)噸級(jí)的的僅有三家。 </p><p>　　雖然取得了一些可喜的進(jìn)展，但是不可否認(rèn)的是，國(guó)內(nèi)各研究單位和生產(chǎn)公司所制備的二氧化硅與國(guó)外相比仍有很大的差距，粒徑小、分散度差仍是急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題，尋求廉價(jià)且高效的實(shí)驗(yàn)方法也是國(guó)內(nèi)學(xué)者一直努力的目標(biāo)。二氧化硅顆粒產(chǎn)品的分散性差、尺寸規(guī)格少、穩(wěn)定性不佳等缺點(diǎn)一直是制約我國(guó)二氧化硅產(chǎn)業(yè)走向國(guó)際市

15、場(chǎng)的主要因素。 </p><p><b>　　3 展望 </b></p><p>　　單分散納米二氧化硅粒子，因其優(yōu)良的性質(zhì)，一直被人們大量生產(chǎn)和應(yīng)用。但是目前國(guó)內(nèi)所能制備的納米二氧化硅粒子存在著粒徑較小、大小不均一、穩(wěn)定性不佳等一系列的問(wèn)題，制約了其應(yīng)用。在今后的研究工作中，需要找出制備單分散二氧化硅粒子的最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件和關(guān)鍵影響因素，著重提高粒子的單分散性和粒徑，從

16、而在將來(lái)拓寬其發(fā)展和應(yīng)用。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] 董鵬.由硅溶膠生長(zhǎng)單分散顆粒的研究[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào)，1998，14（2）：109-114. </p><p>　　[2] 趙麗，余家國(guó)，程蓓，等.單分散二氧化硅球形顆粒的制備與形成機(jī)理[J].化學(xué)學(xué)報(bào)，2003，61（4）：562-56

17、6. </p><p>　　[3] 徐磊.可控粒度球形二氧化硅制備研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2007. </p><p>　　[4] 陳小泉，古國(guó)榜.W/O微乳體系酸催化水解硅酸乙酯合成單分散酸性超微二氧化硅[J].現(xiàn)代化工，2002，22 （3）：26-30. </p><p>　　[5] 姜德源，劉繼紅.硅粉溶解法制備硅溶膠的新工藝[J].哈爾濱師范大學(xué)自

18、然科學(xué)學(xué)報(bào)，1998，14（1）：56-59. </p><p>　　[6] Balthis J H.Preparation of silica sols from finely divided silicon[P]. 美國(guó)專利：US 2614994， 1952-10-21 </p><p>　　[7] William L A.Method of making silica sols co