納米二氧化硅的合成方法研究

袁琳娜 劉積春 馮雅飛 樊旭東 張玩濤

【摘 要】納米二氧化硅（nano-SiO2）為無定型白色粉末（團聚體），是一種無毒無味和無污染的非金屬功能材料。由于其具有較大的比表面積，并且表面存在著羥基，故具有奇異或反常的特性。目前，研究nano-Si02的制備方法已成為納米技術領域的一大熱點。下面就對nano-Si02的制備方法進行闡述，最后介紹了納米二氧化硅的發展前景。

【關鍵詞】納米二氧化硅;制備方法;發展

二氧化硅是自然界中廣泛存在的無機材料，因儲量豐富以及價格低廉而被很多行業應用。隨著二氧化硅粉末尺寸的減小，二氧化硅的量子尺寸、量子隧道效應逐漸顯現，并且伴隨著奇異的光學、電學、磁學、熱學、力學以及高溫下高強、高穩定性等特性，因此引起了眾多學者的研究興趣，被譽為“21世紀最有前途的材料之一”[1]。目前二氧化硅納米材料已在很多領域獲得應用[2]。目前，二氧化硅納米顆粒的制備方法主要有氣相法、化學沉淀法、溶膠-凝膠法以及微乳液法等。

1.納米二氧化硅

納米二氧化硅為無定型白色粉末，是一種無毒、無味、無污染的非金屬材料微結構為球形，呈絮狀和網狀的準顆粒結構。它具有獨特性質如具有對抗紫外線的光學性能。它還可提高材料的抗老化性和耐化學性;將納米二氧化硅分散在材料中，可提高材料的強度，強性。還具有吸附色素離子、降低色素衰減的作用等。

2.納米二氧化硅的制備方法

納米二氧化硅的制備按工藝[3]可分為干法和濕法兩大類：干法工藝制備的產品雖然具有純度高，性能好的特點，但設備投資大、生產過程中能耗大、成本高。濕法工藝所用原料廣泛、價廉，產品經過硅烷偶聯劑化學改性后，補強性能接近于炭黑。干法包括氣相法和電弧法，濕法有沉淀法和凝膠法。其中沉淀法生產流程簡單，能耗低，是目前主要的制備方法。

2.1溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法一般以硅酸酯為原料，經水解縮聚后逐漸膠化，然后經過一定的后處理（陳化、干燥）得到所需的材料。采用溶膠-凝膠法技術制備的nanoSiO2，

其最終收反應水和NH3的濃度、硅酸酯的類型[正硅酸四甲酯（TMOS）、正硅酸四乙酯（TEOS）和正硅酸四丙酯（TPOS）等、醇的種類（甲醇、乙醇、丙醇和戊醇等）、催化劑的種類（酸或堿）和溫度等因素擴散的影響而有所不同。通過對這些影響因素的調控，可獲得不同結構的納米材料。王孝龍[4]等采用溶膠-凝膠法，不使用任何催化劑，選用高沸點的乙二醇作為共溶劑，通過調節TEOS和水的體積比，在較高的反應溫度下，制備了球狀nano-SiO2。

2.2沉淀法

沉淀法制備的納米二氧化硅粒子內部存在無規則的二元線型結構。沉淀法是硅酸鹽通過酸化獲得疏松、細分散的，以絮狀結構沉淀出SiO，晶體的方法。該法原料易得、生產流程簡單、能耗低、投資少，但是產品質量不如氣相法和凝膠法，為目前主要的生產方法。郭宇[5]等以水玻璃和鹽酸為原料，采用化學沉淀法在反應溫度為40～50℃、PH值為5～6、干燥溫度為110℃、焙燒溫度為500℃的條件下，制得的SiO2粒徑為50～60nm，比表面積大且分散性好，達到了工業生產的標準。

2.3反相微乳液法

反相微乳液法一種可有效調控納米顆粒大小的方法。該法通過控制納米微水池，進而控制產物的粒徑及其它性質。反相微乳液通常由表面活性劑、助表面活性劑（通常為醇類）、油（通常為碳氫化合物）和水或電解質水溶液在適當的比例下自發形成的透明或半透明、低粘度和各向同性的熱力學穩定體系。反相微乳液法制備納米材料的影響因素有：水核半徑R（主要由水和表面活性劑的物質的量比來控制）、微乳液界面強度（主要通過體系含水量、界面醇含量、醇和油的碳氫鏈長短來控制）。Arriagada等研究了R以及氨水濃度的影響，認為低氨水濃度下粒徑隨R的增大而減小，高氨水濃度下粒徑隨R的增大出現最小值。

2.4氣相法

激光激活化學氣相沉積是制備納米Si02的有效方法之一。該方法比較容易制備出晶態和非晶態納米粒子，具有清潔、無壁效應、粒度分布均勻，無黏結、產量高、可連續生產及應用廣泛等優點。為了獲得高純超細Si02粉末，工藝中利用SiC14氣相原料反應物激活后發生反應，化學反應方程式為：

SiCl4+02→Si02+C12↑

為充分利用SiCl4，02與SiCl4一般混合比至少為4：1，在溫度為1120～1200℃，氧氣流量為0.5～1.0L/min.激光功率為300～350W時，15min便可生成Si02納米粉術。

氣相法原料品費，設備要求高，生產流程長，能耗大。

3.展望

納米科學技術是80年代末90年代初才迅速發展起來的一門前沿、交叉性新型學科領域，自從納米技術的誕生到現在，所取得成就以及對各個領域的影響和滲透一直是人們關注的焦點。對納米材料的研究一個突出特點是基礎研究和應用研究的銜接是非常緊密的，并且實驗成果的轉化速度之快超出人們的預料，其基礎研究和應用研究都取得了重要的進展。納米技術的發展將會在21世紀的工業領域引起一場革命性的變化。有專家預言納米科技、信息技術和生物技術將成為21世紀社會經濟發展的三大支柱。納米技術的廣泛應用，將使各國在世界經濟中的地位排布發生變化，因而納米技術已經成為當今世界各個發達國家爭奪的戰略制高點，他們都對納米技術的開發。研究投入了大量的人力、物力。歐洲的一些國家、日本以及美國己經制定并實施了各自的納米科學技術發展的戰略計劃。

但是nano-SiO2，的制備技術仍難以滿足應用需求，面臨著許多有待解決的問題：①如何有效解決nano-SiO2，粒子的團聚問題，使其在制備過程中能夠分散均勻;②如何更有效地控制nano-SiO2，粒子的粒徑與形貌;③如何降低成本，實現粒子的規模化生產等。

參考文獻：

[1]芳明.納米二氧化硅的制備、表面改性和應用前景. 精細化工原料及中間體 2011年第1期.

[2]劉煥彬，陳小泉.納米科學與技術導論[M]北京：化學工業出版社，2006.

[3]李曦，劉連利，王莉莉.納米二氧化硅的研究現狀與進展.渤海大學學報（自然科學版）.2006，12

[4]王孝龍，紀全，夏延致，等.溶膠-凝膠法制備納米SiO，及其表面接枝改性研究[J].納米科技，2007，4（2）：34-36.

[5]郭宇，吳紅梅，周立岱，等.化學沉淀法制備納米二氧化硅[J].遼寧化工，2005，2：56-57.

基金項目：陜西省2020年大學生創新創業訓練計劃項目（S202013123029）葡萄糖響應型二氧化硅載胰島素體系合成及評價。

（作者單位：陜西國際商貿學院）