二氧化硅制备

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纳米二氧化硅颗粒的制备与表征

一、实验目的

1、 学习溶胶—凝胶法制备纳米SiO2 颗粒。

2、 利用粒度分析仪对SiO2 颗粒物相分析和粒径测定。

3、 通过红外光谱仪对纳米SiO2 颗粒进行表征。

4、 通过热重分析仪测试煅烧温度。

二、实验原理

纳米SiO2具有三维网状结构 ，拥有庞大的比表面积 ，表面上存在着大量的羟基基团, 亲水性强, 众多的颗粒相互联结成链状 ，链状结构彼此又以氢键相互作用，形成由聚集体组成的立体网状结构。

图1 纳米二氧化硅三维网状结构

图2 纳米二氧化硅表面上存在着大量的羟基基团 2

溶胶凝胶法（Sol-Gel法）：利用活性较高的前驱体作为原料，在含水的溶液中水解，生成溶胶，然后溶胶颗粒间进一步发生相互作用，与溶剂共同生成凝胶，干燥后、煅烧获得前驱体相应的氧化物。

第一步 水解：

硅烷的水解过程 ROHOHSiOHORSi2

第二步 缩合：

硅烷的缩聚过程 OHSiOSiSiHOOHSi2

总反应： ROHSiOSiOHORSi222

硅烷的浓度，硅烷溶液的pH 值，溶剂成分，水解时间与温度均会影响到硅烷的水解缩聚过程。

其中，pH 值能影响硅烷溶液的水解缩聚反应速率。一般认为酸性和碱性条件下均有利于硅烷的水解反应，而碱性条件下更能促进缩聚反应的进行。因此，选择合理的pH 值能控制硅烷的水解与缩合反应速率。

水含量除了影响硅烷的水解与缩聚反应速率外，还影响其溶解性；而醇溶剂对硅烷分子起到助溶与分散的作用，还起到调节水解速率的作用。

三、仪器及试剂

仪器 常规玻璃仪器，不同型号移液枪，坩埚，研钵，水浴锅，磁子，磁力搅拌器，烘箱，马弗炉，傅里叶红外光谱仪，差热-热重分析仪，粒度分析仪；

试剂 乙醇（AR），去离子水，TEOS，1:1 氨水，浓氨水、浓盐酸，精密pH 试纸。

纳米二氧化硅颗粒的制备与表征

一、实验目的

1、 学习溶胶—凝胶法制备纳米SiO2 颗粒。

2、 利用粒度分析仪对SiO2 颗粒物相分析和粒径测定。

3、 通过红外光谱仪对纳米SiO2 颗粒进行表征。

4、 通过热重分析仪测试煅烧温度。

二、实验原理

纳米SiO2具有三维网状结构 ，拥有庞大的比表面积 ，表面上存在着大量的羟基基团,

亲水性强, 众多的颗粒相互联结成链状 ，链状结构彼此又以氢键相互作用，形成由聚集体组成的立体网状结构。

图1 纳米二氧化硅三维网状结构

图2 纳米二氧化硅表面上存在着大量的羟基基团

溶胶凝胶法（Sol-Gel法）：利用活性较高的前驱体作为原料，在含水的溶液中水解，生成溶胶，然后溶胶颗粒间进一步发生相互作用，与溶剂共同生成凝胶，干燥后、煅烧获得前驱体相应的氧化物。

第一步 水解：

硅烷的水解过程 ROHOHSiOHORSi2

第二步 缩合：

硅烷的缩聚过程 OHSiOSiSiHOOHSi2

总反应： ROHSiOSiOHORSi222

硅烷的浓度，硅烷溶液的pH 值，溶剂成分，水解时间与温度均会影响到硅烷的水解缩聚过程。

其中，pH 值能影响硅烷溶液的水解缩聚反应速率。一般认为酸性和碱性条件下均有利于硅烷的水解反应，而碱性条件下更能促进缩聚反应的进行。因此，选择合理的pH 值能控制硅烷的水解与缩合反应速率。

水含量除了影响硅烷的水解与缩聚反应速率外，还影响其溶解性；而醇溶剂对硅烷分子起到助溶与分散的作用，还起到调节水解速率的作用。 三、仪器及试剂

仪器 常规玻璃仪器，不同型号移液枪，坩埚，研钵，水浴锅，磁子，磁力搅拌器，烘箱，马弗炉，傅里叶红外光谱仪，差热-热重分析仪，粒度分析仪；

试剂 乙醇（AR），去离子水，TEOS，1:1 氨水，浓氨水、浓盐酸，精密pH 试纸。

二氧化硅纳米颗粒制备表征及其应用的研究

周韬

摘要：本实验采用沉淀法和溶胶凝胶法制备了二氧化硅纳米晶体，并对得到的产物进行了红外光谱和粒径分析。

关键词：溶胶凝胶，红外光谱，粒径分析

引言

近几年来用单分散二氧化硅球形颗粒为原料自组装制备光子晶体受到了人们的广泛关注，光子晶体广泛的应用前景，促使人们制备出优良的单分散二氧化硅球形颗粒[1]。

光子晶体是介质的周期排列而构成的一种人工微结构材料, 由于电磁波在其中的传播可以用类似于电子在半导体中传播的能带理论来描述, 故而得光子晶体之名, 以此表明光子之晶体与电子之晶体(半导体)的区别与联系。光子晶体被认为是控制光子(电磁波)传播的行之有效的工具, 光子晶体的典型特点是具有光子带隙。当物质的自发辐射频率处在光子带隙内时, 它可以用于抑制光子晶体内的物质的自发辐射。同时, 当在光子晶体内引入缺陷时,如果物质的自发辐射频率和缺陷模的频率一致, 又可用于增强物质的自发辐射, 而且这种自发辐射有类似于受激辐射的特性。光子晶体可以用于制备超高品质因子的微腔, 用于研究腔量子电动力学效应,是量子通讯和量子信息处理的有力工具[2]。

本实验采用溶胶凝胶的方法尝试制备二氧化硅纳米颗粒。

1、实验部分

1.1原理

二氧化硅的制备方法也有很多种，依据反应是否在溶液中发生，分为干法和湿法。干法主要有气相法和电弧法，湿法主要有溶胶-凝胶法，沉淀法，水热法及微乳液法等。其中，溶胶凝胶法（以下简称Sol-Gel法）利用活性较高的前驱体作为原料，在含水的溶液中水解，生成溶胶，然后溶胶颗粒间进一步发生相互作用，与溶剂共同生成凝胶，干燥后、煅烧获得前驱体相应的氧化物。

二氧化硅的制备主要分为如下两步：

第一步 水解

−Si−OR+H2O → −Si−OH+ROH 第二步 缩合

−Si−OH+OH−Si → −Si−O−Si− + H2O

硅烷的浓度，溶液的pH，溶剂成分，水解时间，温度等都会影响硅烷水解缩聚的过程。

５４　无机硅化合物（　。　ｆｃ　Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｃｏｍｐｏｕｎｄ）２００８年第１期（总第１４２期，仅内部交流）　圊——　气相法二氧化硅的制备　个日　太一覃Ｉ，　主削利亩　冯钦邦，段先健　（广州吉必时科技实业有限公司，广州５１０４５０）　纳米二氧化硅是一种多功能的添加剂，广泛应用于硅橡胶、涂料、油墨、医药、造纸、　食品、化妆品、化学机械抛光等行业，可起到补强、增稠、触变、消光等作用，它是一种在　世界范围内真正工业化的纳米材料。　然而不同的生产工艺会导致二氧化硅产品有着不同的技术应用特性。目前纳米二氧化硅　的制备方法，可分为物理法和化学法两种。物理法一般指机械粉碎法。化学法包括气相沉积　法（ＣＶＤ），沉淀法和溶胶一凝胶（ｓｏｌ—ｇｅ１）法，反相胶束微乳液法等。下面主要介绍气相法二　氧化硅的制备。　１原材料选择　气相法制备纳米二氧化硅所用的原材料主要是可挥发性、可水解性的有机硅烷，其中最　为常见的是卤硅烷如四氯化硅、甲基三氯硅烷等。在２０世纪６Ｏ至７０年代，气相二氧化硅　主要是以四氯化硅为原料，其反应原理如方程式（１）所示，该工艺容易控制，但是由于四氯化　硅当时比较昂贵，导致产品成本居高不下，于是人们不断开发新的生产工艺和使用新的原材　料。随着有机硅单体工业的发展，其副产物甲基三氯硅烷等的出路问题成了束缚其发展的瓶　颈，它们一般是用于硅树脂和防水涂料，但是其用量有限，导致副产物堆积严重，因此急需　为它找到新的出路。到８Ｏ年代，已经开发出全部以甲基ｊ氯化硅为原料或者以甲基三氯化　硅和四氯化硅的？昆合物为原料制备气相二氧化硅的工艺，这种工艺成本较低，社会经济效益　较好。甲基三氯化硅的反应原理如方程式（２）所示。近年来，随着多晶硅工业的发展，生产过　程中产生大量的副产物四氯化硅，导致四氯化硅价格大幅度下降，相反甲基三氯化硅价格却　大幅上升，所以以四氯化硅为原料制备气相二氧化硅的工艺又成为主流。此外还有专利报道　利用有机硅甲基单体副产物中的高沸物和低沸物以及氟硅化合物为原料来制取气相二氧化　硅的方法。　ＳｉＣ１４＋２Ｈ２＋ｏ２—　ＳｉＯ２＋Ｈ２０＋４ＨＣ１　（１）　ＣＨ３ＳｉＣｌ３＋２Ｈ２＋３Ｏ２—　墨　ＳｉＯ２＋３ＨＣＩ＋ＣＯ２＋２Ｈ２０　（２）　２气相二氧化硅的制备工艺　最早是由德国Ｄｅｇｕｓｓａ公司在１９４１年开发出来并实现工业化生产，它是通过卤硅烷在　氢氧焰中高温水解缩聚而生成二氧化硅粒子，然后骤冷，颗粒经过聚集、气固分离、脱酸等　后处理工艺而获得产品。　图１是典型的气相二氧化硅的制备工艺示意图。