1、毕业论文文献综述 高分子材料与工程 纳米二氧化硅的制备与应用 1.引言 纳米 SiO2 为无定型白色粉末 ,无毒、无味、无污染 ,表面存在羟基和吸附水 ,具有粒径小、纯度高、密度低、比表面积大、分散性能好的特点 ,以及优越的稳定性、补强性、触变性和优良的光学及机械性能的非金属材料 ,广泛用于陶瓷、橡胶、塑料、涂料、颜料及催化剂载体等领域 ,对产品的升级具有重要意义。纳米二氧化硅还可作为填料增强剂用于涂料、化妆品、橡胶和塑料。此外 ,近年来在生物、医学方面也得到了应用。 纳米固体或纳米微粒是指颗粒粒度属于纳米量级 (1nm 100nm)的固态颗粒。由于纳米 二氧化硅 颗粒尺寸的微细化 ,比表面积
2、急剧增加 ,使得 二氧化硅 纳米粒子具有许多独特的性能 ,如特殊光电特性、高磁阻现象、非线性电阻现象 ,高温下仍具有高强、高韧、稳定性好等奇异特性。另外 ,二氧化硅因其光学透明性、化学惰性、生物兼容性等 ,在现代新材料、组合纳米材料中担当重要角色。纳米 SiO2 固态颗粒主要是用人工方法合成的。 目前纳米二氧化硅的合成方法有很多，如溶胶凝胶法、水解沉淀法、表面接枝法及乳液聚合法等。 为了适合在当前实验室条件下进行合成路线。因此采用乳液聚合法 ,以正硅酸乙酯(TEOS)、无水乙醇及氨水等为原料 ,通过乳液聚合法制取 纳米 二氧化硅。 并且改变聚合反应温度、正硅酸乙酯 (TEOS)或氨水的浓度在不
3、同条件下制备纳米二氧化硅。通过对在各种条件所制得的纳米二氧化硅进行对比选取最合适的制备方法及条件来制备纳米二氧化硅。 并且利用所合成的纳米二氧化硅以不同比例与低密度聚乙（ LDPE）混炼注塑成型，达到利用纳米二氧化硅来弥补低密度聚乙烯在生产制品时某些力学性能方面的不足。达到 产品升级的目的。 2 纳米二氧化硅 的合成工艺 纳米二氧化硅是 一种 无定型白色粉末 (指其团聚体 ),表面存在不饱和的残键及不 同键合状态的羟基 ,其分子状态呈三维链状结构。一般来讲 ,纳米粒子表面相互聚集的氢键1 之间的作用力不强 ,易以剪切力加以分开。然而 ,这些氢键会在外部剪切力消除后迅速复原 ,使其结构迅速重组
4、。 利用纳米二氧化硅 透光、粒度小，可以使塑料变得更加致密，在塑料薄膜中添加二氧化硅后，不但提高其透明度、强度、韧性，而且防水性能和抗老化性能也明显提高。通过在普通塑料中添加少量纳米二氧化硅后 使其 硬度、光洁度和抗老化性能均大幅提高。利用纳米二氧化硅对普通塑料进行改性， 使其拉伸及弯曲强度 、绝缘电阻、压缩 残余变形 、挠曲强度等 都有显著提高，达到产品升级的目的。 纳米二氧化硅的制备 方法一 将 NaCl与 Na2SiO3的混合溶液放在磁力搅拌器上的烧杯中 ,接通电源 ,打开开关 ,使磁力棒在烧杯内匀速的转动 ,当达到一定速度后 ,滴加 8.00%H2SO4 溶液 ,并用试纸测pH值 ,当
5、溶液 pH达到 9时 ,停止滴加硫酸溶液 ,搅拌 10min后再滴加硫酸至 pH = 6,搅拌10min,再滴加酸至 pH = 3。此时停止加酸 ,将溶液温 度升至 70 ,熟化 1h。用事先准备好的过滤设备过滤、水洗至检不出 SO42- ;再用乙醇洗 2 3 次。 80 烘干。 方法二 在 250mL三口烧瓶上安装搅拌器、回流冷凝管、温度计置于恒温水浴中 ,先加入无水乙醇 ,氨水搅拌 5min以上 ,使溶液混合均匀 ,最后加入 TEOS,在指定水解温度下水浴反应 4h。反应后产物加 HCI调节 PH破乳后经高速离心分离出 SiO2小球 ,然后再用无水乙醇反复离心洗涤 ,直至溶液为中性 ,干燥
6、得到 SiO2 粉末。 3 结果与讨论 反应机理 SiO2 的粒径受反应物水、氨水的浓度、硅酸酯的类型 、不同的醇、催化剂的种类及不同的温度的影响而有所不同。通过对这些影响因素的调控 ,可以获得各类结构的纳米材料。在碱性环境下 ,正硅酸乙酯的水解缩合反应分两步 :第一步 :水解反应 ,正硅酸乙酯水解形成羟基化的产物和相应的醇 ;第二步 :硅酸之间或硅酸与正硅酸乙酯之间发生缩合反应。 第一步 2 S iO C 2 H 5C 2 H 5 OO C 2 H 5O C 2 H 5 + 4 H 2 O S iO HH OO HO H + 4 C 2 H 5 O H第二步 S iO HH OO HO H
7、+ S iO HH OO HO H S iO HH OO HO S iO HO HO H + H 2 OS iO HO HH O O H + S iC 2 H 5 O O C 2 H 5O C 2 H 5O HS iO HH OO HO S i O C 2 H 5O C 2 H 5O C 2 H 5+ H 2 OTEOS 分子中 4个尺寸较小的氧乙基不足以完全包围带正电荷的硅离子 ,有 4 处直接暴露在外。在碱催化条 件下 ,小半径的 -OH 直接发动亲核进攻完成水解反应 ,随着烷氧基的除去 ,硅原子上的正电性增加 ,而且空间因素更加有利 ,亲核进攻变得更为容易 ,因此在碱催化条件下 , TE
8、OS 的水解较为完全 ,水解单体中含更多的 Si-OH 基团 ,这些水解产物以一定量的核为中心进行多维方向缩合 ,形成球形粒子。 3结语 在塑料中加入纳米二氧化硅对通用塑料还能起到增强增韧和功能化的作用。如环氧、不饱和聚酯、聚乙烯酚醛等 ,是最早实现工业化应用的塑料品种之一 , 具有优良的力学特性、尺寸稳定性、良好耐腐蚀性和耐老化性 , 广泛用于机械、电气电子、汽 车、航天等结构部件。纳米材料在改性塑料中的研究与应用 , 改善了其性能。在低密度聚乙烯中添加二氧化硅可明显改善其脆性 , 可以克服弹性体增韧而致的材料刚性和强度降低的缺陷 , 达到增强增韧的目的。当添加适量的纳米二氧化硅时 , 可使
9、复合体系冲击强度 , 拉伸强度等都有显著提高。另外 , 也使制品的硬度、耐磨、耐温和绝缘等性能得到提高。 总之 , 随着二氧化硅等纳米材料制备技术的不断发展 , 使得纳米材料在塑料中的应用也越来越深入 , 使得低烟无毒高效的塑料复合材料得到更为广泛的应用。 3 参考文献 1 施用晞 , 邵磊 , 陈 建峰 , 等 . SiO2包覆纳米 CaCO3的透射电镜表征 J. 分析测试学报 , 2006, 25 (3) : 103-105. 2 刘世权 , 王立民 , 刘福田 , 等 . SiO2微球的制备与应用 J. 功能材料 , 2004, 35 (1) : 11-13. 3 张密林 , 丁立国 ,
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