纳米二氧化硅的简要介绍
自1984 年Gleiter 教授成功制备出块状纳米材料以来, 纳米材料的研究已经成为材料领域的一个热点。研究表明, 任何材料进入纳米尺寸(1~ 100 nm) 时都会具有奇异或反常的特性, 如表面界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。这些特性使纳米微粒结构表现出奇异的物理、化学特性, 具有卓越的光、电、力、热、放射、吸收等特
[1]殊功能。
纳米材料是21 世纪各国产业革命的支柱，科学研究的热门，生产厂商的奋斗目标。目前，国内外学者在催化材料、发光材料、磁性材料、半导体材料及精细陶瓷等诸多领域，开
[2]展了大量纳米材料的研究工作。纳米SiO2是纳米材料中的重要成员。
本文以纳米SiO2 为例，描述纳米材料的应用前景。
纳米SiO2 为无定形白色粉末, 是一种无毒、无味、无污染的无机非金属材料, 粒径通常为20~200nm, 其微粒结构非常特殊, 表面存在不饱和的残键及不同键合状态的羟基, 其
[3]分子状态呈三维状结构( 三维网状结构或三维硅石结构等)。
纳米SiO2化学纯度高, 分散性好, 比表面积大, 耐磨、耐腐蚀，广泛应用于电子封装材料、高分子复合材料、塑料、涂料、橡胶、颜料、精密陶瓷、胶粘剂、玻璃钢、粘结剂、
[4]高档填料、光导纤维、精密铸造、药物载体、化妆品及抗菌材料等领域。
纳米氧化硅（SiO2）的用途
电子封装材料领域方面，在有机物电致发光器材（OELD）的研制中，目前，国外广泛采用有机硅改性环氧树脂，将经表面活性处理后的纳米二氧化硅充分分散在有机硅改性环氧树脂封装胶基质中，达到既能降低环氧树脂内应力又能形成分子内增韧，提高耐高温性能，同时也提高有机硅的防水、防油、抗氧性能，可以大幅度地缩短封装材料固化时间（为2.0-2.5h）,且固化温度可降低到室温,使OELD器件密封性能得到显著提高,增加OELD器件的使用寿命。
树脂复合材料具有轻质、高强、耐腐蚀等特点，但近年来材料界和国民经济支柱产业对树脂基材料使用性能的要求越来越高。将纳米二氧化硅颗粒充分、均匀地分散到树脂材料中，完全能达到全面改善树脂基材料性能的目的，提高强度和延伸率、提高耐磨性和改善材料表面的光洁度、使其具有抗老化性能。
在塑料方面，利用纳米二氧化硅的透光、粒度小，可以使塑料变得更加致密，在聚苯乙烯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。通过在普通塑料聚氯乙烯中添加少量纳米二氧化硅后生产出的塑钢门窗硬度、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聚丙烯进行改性，主要技术指标均达到或超过工程塑料尼龙6的性能指标，实现了聚丙烯铁道配件替代尼龙6使用，产品成本大幅下降，其经济效益和社会效益十分显著。
还有在光学领域、涂料领域、粘结剂和密封胶领域、纺织领域、杀菌剂领域、医药领域、催化领域、在农业及食品领域等方面的用途就不一一介绍了。
纳米二氧化硅的制备
纳米SiO2的制备方法有很多种，按原料状态可分为三类，分别是固相法、液相法和气相法。固相法有包括机械粉碎法、固相反应法、非晶晶化法等；液相法包括沉淀法、水热合
成法、溶胶-凝胶法、水解法、微乳液法等；气相法包括蒸发凝聚法、离子溅射法，气相化
[5]学反应法、激光诱导化学气相反应法、等离子体加强气相反应法等。
在这里介绍化学沉淀法制备纳米二氧化硅的工艺。
化学沉淀法
化学沉淀法是一种常用的从液相合成粉体的方法。它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。
机理
化学沉淀法是制备纳米SiO2的常规方法。通常都是采用一定模数的水玻璃和无机酸（盐酸或硫酸）为原料，在制备过程中添加适宜的稳定剂（表面活性剂），在适宜的酸值和温度下沉淀合成，采用适当干燥技术进行干燥，在适宜的温度下煅烧即可制备出纳米SiO2。 化学沉淀法制备纳米SiO2 时,其机理为原子水平混合的Na2SiO3和HCl之间相互脱水,先生成胶联的聚合体,再逐步生成产物。如下所述:当向偏硅酸钠水溶液中加酸时, 硅酸因其电离常数很小而被置换出来。
开始生成的单分子硅酸可溶于水。由于硅氧键的强度很大,硅酸分子间的- OH基很容易发生脱水现象。
在这些单分子硅酸逐步缩聚成多硅酸之后,即会沉淀析出。由于其组成随生成条件而变,
[6]常以xSiO2yH2O 的形式来表示。将制成的多硅酸加热脱水即可得到 SiO2 。
xSiO2yH2
2 + yH2O
制备过程
以水玻璃(模数为3.3)和盐酸为原料,在超级水浴中将温度控制在50 左右进行沉淀反应。这样得到的沉淀物用离心法洗涤以去掉其中的Cl- ,然后在干燥箱里干燥12 h,最后进行焙烧得到产品。
用化学沉淀法制备纳米SiO2,工艺条件为:温度40~50,pH 值5~6,干燥温度110 , 焙烧温度500,制得的二氧化硅粒径在50~60 纳米,比表面积大,分散性好,达到了工业生产的标准。
评述
化学沉淀法制备纳米SiO2 的原材料广泛、廉价,并且由于表面活性剂的加入,使得化学沉淀法制备SiO2孔径分布宽、孔径形状难以控制的缺点得到了控制。
[7]
最新研究 中南大学湘雅医院眼科研究人员发表论文，旨在制备及表征超亲水抗反射氢氧化镧/二氧化硅纳米涂层。研究指出，该研究利用低氯根氧化镧的氢裂解悬浮液成功在玻璃底片表面涂层了氢氧化镧纳米棒薄膜。氢氧化镧二氧化硅纳米薄膜由于制备简便，且具有超亲水性和抗反射性双重功能，因而能够得到更加广泛的应用。该文发表在2012年第32期《中国现代医学杂志》上。
展望
随着纳米科技的发展，对纳米材料的需求量越来越大，质量要求越来越高。纳米二氧化硅作为纳米材料家族中的一员，对其开发具有重要的实际意义。随着对纳米SiO2制备技术研究的不断深入以及其它相关高科技的发展，纳米SiO2的制备方法将会更加丰富和得到不断完善。
我国纳米材料的研究已取得许多成果，但纳米SiO2的应用才刚刚起步，随着对纳米SiO2研究的深入，应用领域的扩宽，纳米SiO2 的进一步工业化将为我国的电子封装材料、高分子复合材料、陶瓷、玻璃钢、涂装等诸多行业产品的提高档次、升级换代带来划时代的意义
[8、9]。
感想
上了这门应用化学研究方法后，我知道了很多新能源的现在和应用前景，锂电池和锂离子电池的区别，自主装等。只是上课效率不高，有时上课回答时花费了两节课，形式上是做好了，只是大部分同学都是查到资料后直接念，上完课后就忘了。
这门课教会了我们如何去看一种能源，技术，材料的各方面资料，如何研究，应用。只是这种习惯只能慢慢培养，在这短短的周内难以养成。
参考文献
[1] 李玲, 向航. 功能材料与纳米技术. 北京: 化学出版社,2002
[2] Adnres R P, Averbackr S, Brown W L,et al.Researh opportunities on cluster-assembled materials-a department of energy,council on material science
[J].material Research,1989,4 (3):704-736
[3] 张密林, 丁立国, 景晓燕, 等. 纳米二氧化硅的制备、改性与应用[ J] . 化学工程师, 2003, 25( 6) : 11-14.
[4] 苏学军, 邦典模. 纳米SiO2 的应用研究进展[ J ] . 江西化工,2002, （l）: 6-10.
[5] 高惠,杨俊玲.纳米SiO2的制备方法及应用[J].天津工业大学材料化工学院,天津市改性与功能纤维重点实脸室
[6] 关博文,刘开平,张艳,张晓旭.纳米SiO2 的制备及改性研究进展[A].陕西西安:长安大学材料科学与工程学院, 1004-0935( 2008) 05-0304-04
[7] 郭宇,吴红梅,周立岱,杜金山.化学沉淀法制备纳米二氧化硅[A].辽宁锦州:辽宁工学院材料与化学工程学院,1004-0935( 2005) 02-056-02
[8] 刘景春, 韩建成. 跨世纪高科技材料纳米S iO2的应用领域[ J] . 化工新型材料, 1998 ,( 7) : 3- 61.
[9] A V enkateswarea Rao , G M Pajonk , and D H aranath.Syn thesis of H ydrophob ic Aerogels For T ransparent W indow Insulation Application s [ J ] . Materials Science and Technology , 2001 , ( 17 ) : 343.
纳米二氧化硅的简要介绍
自1984 年Gleiter 教授成功制备出块状纳米材料以来, 纳米材料的研究已经成为材料领域的一个热点。研究表明, 任何材料进入纳米尺寸(1~ 100 nm) 时都会具有奇异或反常的特性, 如表面界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。这些特性使纳米微粒结构表现出奇异的物理、化学特性, 具有卓越的光、电、力、热、放射、吸收等特
[1]殊功能。
纳米材料是21 世纪各国产业革命的支柱，科学研究的热门，生产厂商的奋斗目标。目前，国内外学者在催化材料、发光材料、磁性材料、半导体材料及精细陶瓷等诸多领域，开
[2]展了大量纳米材料的研究工作。纳米SiO2是纳米材料中的重要成员。
本文以纳米SiO2 为例，描述纳米材料的应用前景。
纳米SiO2 为无定形白色粉末, 是一种无毒、无味、无污染的无机非金属材料, 粒径通常为20~200nm, 其微粒结构非常特殊, 表面存在不饱和的残键及不同键合状态的羟基, 其
[3]分子状态呈三维状结构( 三维网状结构或三维硅石结构等)。
纳米SiO2化学纯度高, 分散性好, 比表面积大, 耐磨、耐腐蚀，广泛应用于电子封装材料、高分子复合材料、塑料、涂料、橡胶、颜料、精密陶瓷、胶粘剂、玻璃钢、粘结剂、
[4]高档填料、光导纤维、精密铸造、药物载体、化妆品及抗菌材料等领域。
纳米氧化硅（SiO2）的用途
电子封装材料领域方面，在有机物电致发光器材（OELD）的研制中，目前，国外广泛采用有机硅改性环氧树脂，将经表面活性处理后的纳米二氧化硅充分分散在有机硅改性环氧树脂封装胶基质中，达到既能降低环氧树脂内应力又能形成分子内增韧，提高耐高温性能，同时也提高有机硅的防水、防油、抗氧性能，可以大幅度地缩短封装材料固化时间（为2.0-2.5h）,且固化温度可降低到室温,使OELD器件密封性能得到显著提高,增加OELD器件的使用寿命。
树脂复合材料具有轻质、高强、耐腐蚀等特点，但近年来材料界和国民经济支柱产业对树脂基材料使用性能的要求越来越高。将纳米二氧化硅颗粒充分、均匀地分散到树脂材料中，完全能达到全面改善树脂基材料性能的目的，提高强度和延伸率、提高耐磨性和改善材料表面的光洁度、使其具有抗老化性能。
在塑料方面，利用纳米二氧化硅的透光、粒度小，可以使塑料变得更加致密，在聚苯乙烯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。通过在普通塑料聚氯乙烯中添加少量纳米二氧化硅后生产出的塑钢门窗硬度、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聚丙烯进行改性，主要技术指标均达到或超过工程塑料尼龙6的性能指标，实现了聚丙烯铁道配件替代尼龙6使用，产品成本大幅下降，其经济效益和社会效益十分显著。
还有在光学领域、涂料领域、粘结剂和密封胶领域、纺织领域、杀菌剂领域、医药领域、催化领域、在农业及食品领域等方面的用途就不一一介绍了。
纳米二氧化硅的制备
纳米SiO2的制备方法有很多种，按原料状态可分为三类，分别是固相法、液相法和气相法。固相法有包括机械粉碎法、固相反应法、非晶晶化法等；液相法包括沉淀法、水热合
成法、溶胶-凝胶法、水解法、微乳液法等；气相法包括蒸发凝聚法、离子溅射法，气相化
[5]学反应法、激光诱导化学气相反应法、等离子体加强气相反应法等。
在这里介绍化学沉淀法制备纳米二氧化硅的工艺。
化学沉淀法
化学沉淀法是一种常用的从液相合成粉体的方法。它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。
机理
化学沉淀法是制备纳米SiO2的常规方法。通常都是采用一定模数的水玻璃和无机酸（盐酸或硫酸）为原料，在制备过程中添加适宜的稳定剂（表面活性剂），在适宜的酸值和温度下沉淀合成，采用适当干燥技术进行干燥，在适宜的温度下煅烧即可制备出纳米SiO2。 化学沉淀法制备纳米SiO2 时,其机理为原子水平混合的Na2SiO3和HCl之间相互脱水,先生成胶联的聚合体,再逐步生成产物。如下所述:当向偏硅酸钠水溶液中加酸时, 硅酸因其电离常数很小而被置换出来。
开始生成的单分子硅酸可溶于水。由于硅氧键的强度很大,硅酸分子间的- OH基很容易发生脱水现象。
在这些单分子硅酸逐步缩聚成多硅酸之后,即会沉淀析出。由于其组成随生成条件而变,
[6]常以xSiO2yH2O 的形式来表示。将制成的多硅酸加热脱水即可得到 SiO2 。
xSiO2yH2
2 + yH2O
制备过程
以水玻璃(模数为3.3)和盐酸为原料,在超级水浴中将温度控制在50 左右进行沉淀反应。这样得到的沉淀物用离心法洗涤以去掉其中的Cl- ,然后在干燥箱里干燥12 h,最后进行焙烧得到产品。
用化学沉淀法制备纳米SiO2,工艺条件为:温度40~50,pH 值5~6,干燥温度110 , 焙烧温度500,制得的二氧化硅粒径在50~60 纳米,比表面积大,分散性好,达到了工业生产的标准。
评述
化学沉淀法制备纳米SiO2 的原材料广泛、廉价,并且由于表面活性剂的加入,使得化学沉淀法制备SiO2孔径分布宽、孔径形状难以控制的缺点得到了控制。
[7]
最新研究 中南大学湘雅医院眼科研究人员发表论文，旨在制备及表征超亲水抗反射氢氧化镧/二氧化硅纳米涂层。研究指出，该研究利用低氯根氧化镧的氢裂解悬浮液成功在玻璃底片表面涂层了氢氧化镧纳米棒薄膜。氢氧化镧二氧化硅纳米薄膜由于制备简便，且具有超亲水性和抗反射性双重功能，因而能够得到更加广泛的应用。该文发表在2012年第32期《中国现代医学杂志》上。
展望
随着纳米科技的发展，对纳米材料的需求量越来越大，质量要求越来越高。纳米二氧化硅作为纳米材料家族中的一员，对其开发具有重要的实际意义。随着对纳米SiO2制备技术研究的不断深入以及其它相关高科技的发展，纳米SiO2的制备方法将会更加丰富和得到不断完善。
我国纳米材料的研究已取得许多成果，但纳米SiO2的应用才刚刚起步，随着对纳米SiO2研究的深入，应用领域的扩宽，纳米SiO2 的进一步工业化将为我国的电子封装材料、高分子复合材料、陶瓷、玻璃钢、涂装等诸多行业产品的提高档次、升级换代带来划时代的意义
[8、9]。
感想
上了这门应用化学研究方法后，我知道了很多新能源的现在和应用前景，锂电池和锂离子电池的区别，自主装等。只是上课效率不高，有时上课回答时花费了两节课，形式上是做好了，只是大部分同学都是查到资料后直接念，上完课后就忘了。
这门课教会了我们如何去看一种能源，技术，材料的各方面资料，如何研究，应用。只是这种习惯只能慢慢培养，在这短短的周内难以养成。
参考文献
[1] 李玲, 向航. 功能材料与纳米技术. 北京: 化学出版社,2002
[2] Adnres R P, Averbackr S, Brown W L,et al.Researh opportunities on cluster-assembled materials-a department of energy,council on material science
[J].material Research,1989,4 (3):704-736
[3] 张密林, 丁立国, 景晓燕, 等. 纳米二氧化硅的制备、改性与应用[ J] . 化学工程师, 2003, 25( 6) : 11-14.
[4] 苏学军, 邦典模. 纳米SiO2 的应用研究进展[ J ] . 江西化工,2002, （l）: 6-10.
[5] 高惠,杨俊玲.纳米SiO2的制备方法及应用[J].天津工业大学材料化工学院,天津市改性与功能纤维重点实脸室
[6] 关博文,刘开平,张艳,张晓旭.纳米SiO2 的制备及改性研究进展[A].陕西西安:长安大学材料科学与工程学院, 1004-0935( 2008) 05-0304-04
[7] 郭宇,吴红梅,周立岱,杜金山.化学沉淀法制备纳米二氧化硅[A].辽宁锦州:辽宁工学院材料与化学工程学院,1004-0935( 2005) 02-056-02
[8] 刘景春, 韩建成. 跨世纪高科技材料纳米S iO2的应用领域[ J] . 化工新型材料, 1998 ,( 7) : 3- 61.
[9] A V enkateswarea Rao , G M Pajonk , and D H aranath.Syn thesis of H ydrophob ic Aerogels For T ransparent W indow Insulation Application s [ J ] . Materials Science and Technology , 2001 , ( 17 ) : 343.