纳米二氧化硅的制备
专业：凝聚态学号：51110602021 作者：张红敏
摘要
本文简单综述了一下纳米二氧化硅的各种制备方法，包括化学沉淀法、气相法、溶胶-凝胶法、微乳液法、超重力法、机械粉碎法，并对未来制备纳米二氧化硅的方法提出了一点展望。
关键词：纳米二氧化硅，制备，展望
1. 引言
纳米二氧化硅为无定型白色粉末，是一种无毒、无味、无污染的无机非金属材料，其颗粒尺寸小，粒径通常为20～200nm，化学纯度高，分散性好，比表面积大，耐磨、耐腐蚀，是纳米材料中的重要一员。由于纳米二氧化硅表面存在不饱和的双键以及不同键合状态的羟基，具有常规粉末材料所不具备的特殊性能，如小尺寸效应、表面界面效应、量子隧道效应、宏观量子隧道效应和特殊光电性等特点[1]，因而表现出特殊的力学、光学、电学、磁学、热学和化学特性，加上近年来随着纳米二氧化硅制备技术的发展及改性研究的深入, 纳米二氧化硅在橡胶、塑料、涂料、功能材料、通讯、电子、生物学以及医学等诸多领域得到了广泛的应用。
2. 纳米二氧化硅的制备
经过收集资料,查阅一些教科书籍和文献,发现二氧化硅有各种形形色色不同的制备方法, 主要包括化学沉淀法、气相法、溶胶-凝胶法、微乳液法、超重力法、机械粉碎法等等。现在一个个介绍如下:
2.1. 化学沉淀法
化学沉淀法是目前生产纳米二氧化硅最主要的方法。这种方法的基本原理是利用金属盐或碱的溶解度, 调节溶液酸度、温度、溶剂, 使其产生沉淀, 然后对沉淀物进行洗涤、干燥、热处理制成超细粉体[2]。
可以采用硅酸钠和氯化铵为原料, 以乙醇水溶液为溶剂, 采用化学沉淀法
[3]。将去离子水与无水乙醇以一定浓度混合盛于三口瓶中, 加制备得到纳米SiO
2
入一定质量的硅酸钠和少量分散剂, 置于恒温水浴中, 凋节至40±1℃, 搅拌状态下加入氯化铵溶液, 即出现乳白色沉淀, 洗涤, 抽滤, 100℃烘干,置于马弗
颗粒为无定形结构, 近炉450 ℃焙烧1h, 得到白色轻质的SiO2 粉末。所得SiO
2
似球形, 粒径30～50nm, 部分颗粒间通过聚集相互联结, 表面有蜂窝状微孔。
以水玻璃(模数为3.3)和盐酸为原料[4],在超级恒温水浴中控制在40～50℃左右进行沉淀反应, 控制终点pH 值5～6, 得到的沉淀物采用离心法洗涤去掉Cl-, 然后在110℃下干燥12 h, 再于500℃进行焙烧即可得到产品。制得SiO
粒
2
径在50～60nm, 比表面积大, 分散性好。
化学沉淀法具有原料来源广泛、价廉, 能耗小, 工艺简单, 易于工业化等优点, 但同时也存在产品粒径大或分布范围较宽的问题。
2.2. 气相法
激光激活化学气相沉积（LICVD）[5]是制备纳米SiO
2
的有效方法之一。该方法比较容易制备出晶态和非晶态纳米粒子，具有清洁、无壁效应、粒度分布均匀，
无黏结、产量高、可连续生产及应用广泛等优点。为了获得高纯超细SiO
2
粉末，
工艺中利用SiCl
4
气相原料反应物激活后发生反应，基本化学反应方程式为：
SiCl
4﹢O
2
→ SiO
2
﹢Cl
2
↑
为充分利用SiCl
4，O
2
与SiCl
4
一般混合比至少为4:1，在温度为1120～
1200℃，氧气流量为0.5～1.0 L/min，激光功率为300～350W时，15min便可生
成SiO
2
纳米粉末。
气相法原料昂贵,设备要求高, 生产流程长, 能耗大。
2.3. 溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶工艺是60年代发展起来的一种材料制备方法。它的基本过程是: 一些易水解的金属化合物(无机盐或金属醇盐) 在某种溶剂中与水发生反应, 经过水解与缩聚而逐渐凝胶化, 再经过干燥等后处理工序, 就可制得所需的粉体材料。
将正硅酸四乙酯、乙醇、去离子水[6]按体积比1:2:2配制成溶液, 将溶液升温至70℃搅拌1.5h，再在溶液中加入适量的催化剂, 继续搅拌1h 后形成乳白色凝胶, pH 控制在5～6, 反应完成后，陈化，干燥，研磨得凝胶粉, 经马弗炉
在600℃高温焙烧1～2h 后, 得到SiO
2
粉体。样品经检测粒径在8～14nm, 分散均匀, 外周呈圆形。
溶胶-凝胶法原料昂贵, 制备时间长。
2.4. 微乳液法
微乳液是指由油、水、乳化剂与助表面活性剂(如醇)等4个组分以适当比例混合自发形成的透明或半透明多相各相同性热力学稳定系统, 具有粒子细小、大小均一、粒径分布窄、稳定性高及其微异相本质可被用于在分子水平上控制合成
粒子的性质,可达到合成粒度均匀性好的纳米粒子的目的, 已成功用于合成诸如金属纳米粒子、金属卤化物、碳酸盐、氧化物等纳米粒子及有机聚合物纳米粒子材料[7]。
以Triton X-100/正辛醇/环己烷/水(或氨水)形成微乳液[8], 以正硅酸乙酯为原料, 经水解反应制备得到SiO
纳米粒子。工艺过程为: 先配制一定质量比的
2
Triton X-100和正辛醇混合液, 再加入一定量环己烷, 超声波振荡均匀, 成浑浊乳状液,然后滴加水, 至系统突然变得透明, 即得所需W/O型微乳液。在此微乳液中滴加正硅酸乙酯, 其分子扩散透过反胶束界面膜向胶束中水核内渗透, 继而发生水解缩合反应, 之后反应混合物以体积比为75的丙酮水溶液絮凝, 乙醇
粉体, 样品经检测为无洗涤, 100℃真空干燥2h，650℃煅烧2h，得纯白色SiO
2
定型SiO
,粒径40～50nm。
2
微乳法制备纳米粒子粒径调控方便,所得粒子分散性好,故微乳法在制备超细微粒方面有着广阔的前景。但微乳液法成本高、有机物难以去除，易对环境造成污染。
2.5. 超重力法
超重力法是指在超重力反应器中制备纳米粒子的一种方法。超重力反应器（旋转填充床) 是一种利用比地球重力场大数百倍至千倍的超重力环境, 通过产生巨大的剪切力, 使微观混合和传质过程得到极大强化、使过饱和度分布均匀, 从而快速、高质量制备纳米级粉体材料的新型反应器[9]。
将一定浓度的水玻璃溶液静置过滤后置于超重力反应器中, 升温至反应温度, 加人絮凝剂和表面活性剂, 开启旋转填充床和液料循环泵不断搅拌和循环回流, 温度稳定后, 通人CO2气体进行反应,同时定时取样测定物料的pH值, 当pH值稳定后停止进气。加酸调节料液的pH值, 并保温陈化, 最后经过洗涤、抽滤、干燥、研磨、过筛等操作, 制得粒度为30nm的二氧化硅粉体。用超重力法制备的纳米二氧化硅粒子大小均匀，平均粒径小于30nm。在超重力环境中, 传质过程和微观混合过程得到了极大的强化，大大缩短了反应时间[10]。
2.6. 机械粉碎法
机械粉碎法是二氧化硅的一种物理制备方法。它的原理是通过超细粉碎机械产生的冲击、剪切、摩擦等力的综合作用对大颗粒二氧化硅进行超细粉碎，然后
