二氧化硅 都在这！纳米SiO2，改性方法及应用详细总结

纳米二氧化硅是一种极具工业应用前景的纳米材料，其应用领域非常广泛，几乎涉及所有使用二氧化硅粉体的行业。纳米二氧化硅具有粒径小、比表面积大、生物相容性好、表面界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应等优点。作为填料，在不改变工艺流程的情况下，只需取代粗粒二氧化硅，其产品的性能指标将会有很大的提高，纳米二氧化硅的应用远远不止于此。

但纳米二氧化硅表面能高，处于热力学不稳定状态，容易团聚，难以与有机物充分混合。同时，纳米二氧化硅表面亲水疏油，难以在有机介质中均匀分散，纳米二氧化硅与有机基体结合力差，容易导致界面缺陷，降低复合材料的性能。

图1二氧化硅纳米粒子示意图

为了解决纳米二氧化硅与有机基体的分散和相容性问题，需要对其表面进行改性，削弱二氧化硅表面的极性，降低其能态，从而提高纳米粒子与有机基体的相容性。

一种纳米二氧化硅改性方法

一个

热处理方法

热处理可以减少纳米二氧化硅表面的吸附水的量，因为高温加热会促进伴随的硅羟基与氢键发生脱水反应，形成稳定的键，从而导致吸附水的减少。虽然这种方法经济简单，但纳米二氧化硅与有机物的结合效果并不能通过热处理得到改善。所以实际的热处理工艺通常是在200-400℃加入含锌化合物，或者在热处理前用硅烷和过渡金属离子处理纳米二氧化硅。

2

化学改性方法

纳米二氧化硅表面改性的化学方法可分为无机改性和有机改性。无机改性通常使用二氧化钛包覆纳米二氧化硅，有机改性是纳米二氧化硅表面改性的主要方法，下面主要介绍。

(1)偶联剂改性方法

在纳米二氧化硅常用的偶联剂改性方法中，硅烷偶联剂应用广泛，可以与纳米二氧化硅表面的羟基缩合形成硅氧键。

偶联剂用于纳米二氧化硅表面改性时，偶联剂需要水解才能与纳米二氧化硅反应。但水解产物会发生自缩合反应，阻碍水解产物与二氧化硅表面羟基的反应，一定程度上降低偶联效率，使纳米二氧化硅表面改性不完全。

(2)醇酯改性方法

醇酯法是利用脂肪醇在高温高压下与纳米二氧化硅表面的羟基发生反应，从而改变纳米二氧化硅表面的润湿性。

图2与脂肪酸的化学反应

图3与醇的化学反应

与硅烷偶联剂法相比，醇酯法的优点是改性剂脂肪醇价格低廉，易于合成，结构易于控制。但改性效果受醇的烷基链长度影响，需要在高温高压下进行，对反应条件要求较高。

(3)聚合物的接枝改性

将聚合物以特定方式接枝到纳米二氧化硅表面，可以有效提高纳米复合材料中颗粒的疏水性和界面亲和力。接枝聚合物的长链结构可以与基体聚合物产生链缠结，使得改性更加均匀和致密。同时，可以根据需要选择不同的接枝单体和接枝条件，使得改性更加多样和可控。

图4表面接枝聚合物的化学反应

根据接枝方法的不同，聚合物接枝改性纳米二氧化硅可分为“接枝至”和“接枝自”。

“接枝到”方法通常指将末端官能化聚合物共价连接到纳米二氧化硅表面。

“接枝自”的原理是利用纳米二氧化硅表面的大量羟基，先在纳米二氧化硅表面引入能引发聚合的活性位点，如阳离子、阴离子或自由基，然后引发颗粒表面周围单体的聚合，使聚合物在纳米二氧化硅表面生长。

接枝法通过原位接枝预聚物链段引入聚合物，且空位阻不限制活性引发部位较小单体分子的接枝生长，因此具有较高的接枝效率。然而，在与材料复合的过程中，连接在纳米二氧化硅表面的长链聚合物可能会缠结在一起，使相邻的二氧化硅再次聚集在一起，不利于其在聚合物基体中的进一步分散。

(4)原位改性方法

化学改性一般能有效减少纳米二氧化硅的团聚，但也存在改性前纳米二氧化硅团聚的问题。因此，可以考虑在纳米二氧化硅的制备过程中完成改性，得到表面功能化的二氧化硅颗粒。

黄芬等人利用溶胶-凝胶法原位生成有机硅改性纳米二氧化硅颗粒，并与环氧聚酯结合制备了TH1178-2耐电晕无溶剂绝缘漆。与直接掺杂纳米二氧化硅改性相比，原位生成的改性纳米二氧化硅颗粒分散更加均匀，没有明显的团聚现象。制备的耐电晕涂料具有较好的耐电晕性、电气性能和力学性能。

纳米二氧化硅的应用

一个

在陶瓷中的应用

在陶瓷制品中加入适量的纳米二氧化硅，不仅大大降低了陶瓷制品的脆性，而且使其韧性提高了几倍甚至几十倍，光滑度明显提高。此外，陶瓷在较低的温度下烧制，从而将陶瓷产品的等级提高了几个级别。

2

在塑料领域的应用

常规二氧化硅作为增强剂可以提高塑料的性能，而纳米二氧化硅不仅作为增强剂，还具有许多新的性能，主要是因为纳米二氧化硅具有透光性和较小的粒径，可以使塑料更加致密。在聚苯乙烯塑料薄膜中添加纳米二氧化硅可以提高其透明度、强度和韧性，还可以提高其防水性能和抗老化性能。纳米二氧化硅改性聚氯乙烯防水卷材的性能指标均达到或超过三元乙丙橡胶防水卷材。

三

在橡胶领域的应用

添加纳米二氧化硅的新型橡胶不仅具有优异的力学性能，而且可以根据需要进行设计。这种新材料中的纳米二氧化硅不仅具有增强功能，还具有传统橡胶所不具备的一些功能特性。此外，纳米二氧化硅还可以用来改性轮胎侧胶，生产彩色轮胎。

四

涂料中的应用

纳米二氧化硅具有很强的紫外和红外反射特性。因此，将其添加到涂层中，可以对涂层形成屏蔽作用，从而达到抗紫外线老化和热老化的目的，同时增加涂层的隔热性。此外，纳米二氧化硅还具有三维网络结构，具有巨大的比表面积，显示出巨大的活性。它能在涂层干燥时形成网状结构，不仅增加了涂层的强度和平滑度，而且使涂层的颜色长期保持不变。

五

在纺织领域的应用

纳米二氧化硅和纳米二氧化钛比例适当的复合粉体是抗紫外线纤维的重要添加剂。将纳米二氧化硅和纳米二氧化钛混合成化纤，得到的化纤具有除臭和净化的功能空。

六

其他方面的应用

在农业上，使用纳米二氧化硅作为农业种子处理剂，可以提高蔬菜(白菜、番茄、黄瓜)、棉花、玉米和小麦的产量，并提高成熟度。此外，纳米二氧化硅具有较高的表面能和吸附性能，良好的稳定性和生物亲和性，可作为一种新型传感器。纳米二氧化硅改性的防晒霜可以屏蔽99%的紫外线，完全取代了防晒产品中使用的有机紫外线吸收剂。

此外，它在电子组装材料、密封剂、粘合剂、功能纤维、催化剂和催化剂载体、木材和环保吸附方面也有重要应用。

引用

刘俊波等。纳米二氧化硅的开发与应用

陈波等。纳米二氧化硅表面改性的研究进展

PhươngMinh.纳米二氧化硅的制备、表面改性及应用前景

张敏林等。纳米二氧化硅的制备、改性及应用研究进展

张。纳米二氧化硅的表面改性

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