纳米氧化硅

纳米氧化硅（俗称气相白碳黑）产品为人工合成物无定形白色流动性粉末，具有各种比表面积和容积严格的粒度分布。本产品是一种白色、松散、无定形、无毒、无味、无嗅，无污染的非金属氧化物。其原生粒径介于7～80nm之间，比表面积一般大于100m²/g。由于其纳米效应，在材料中表现出卓越的补强、增稠、触变、绝缘、消光、防流挂等性质，因而广泛的应用于橡胶、塑料、涂料、胶粘剂、密封胶等高分子工业领域。

纳米二氧化硅应用领域

（一）电子封装材料

有机物电致发光器材（OELD）是新开发研制的一种新型平面显示器件，具有开启和驱动电压低，且可直流电压驱动，可与规模集成电路相匹配，易实现全彩色化，发光亮度高（>105cd/m²）等优点，但OELD器件使用寿命还不能满足应用要求，其中需要解决的技术难点之一就是器件的封装材料和封装技术。

国外（日、美、欧洲等）广泛采用有机硅改性环氧树脂，即通过两者之间的共混、共聚或接枝反应而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，但其需要的固化时间较长（几个小时到几天），要加快固化反应，需要在较高温度（60℃至100℃以上）或增大固化剂的使用量，这不但增加成本，而且还难于满足大规模器件生产线对封装材料的要求（时间短、室温封装）。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，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。

（二）树脂复合材料

树脂基复合材料具有轻质、高强、耐腐蚀等特点，但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，如何合成高性能的树脂基复合材料，已成为当前材料界和企业界的重要课题。纳米二氧化硅的问世，为树脂基复合材料的合成提供了新的机遇，为传统树脂基材料的改性提供了一条新的途径，只要能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。

1、提高强度和延伸率。环氧树脂是基本的树脂材料，把纳米二氧化硅添加到环氧树脂中，在结构上完全不同于粗晶二氧化硅（白炭黑等）添加的环氧树脂基复合材料，粗晶SiO₂一般作为补强剂加入，它主要分布在高分子材料的链间中，而纳米二氧化硅由于表面严重的配位不足、庞大的比表面积以及表面欠氧等特点，使它表现出极强的活性，很容易和环氧环状分子的氧起键合作用，提高了分子间的键力，同时尚有一部分纳米二氧化硅颗粒仍然分布在高分子链的空隙中，与粗晶SiO₂颗粒相比较，表现很高的流涟性，从而使纳米二氧化硅添加的环氧树脂材料强度、韧性、延展性均大幅度提高。

2、提高耐磨性和改善材料表面的光洁度。纳米二氧化硅颗粒比SiO₂要小100-1000倍，将其添加到环氧树脂中，有利于拉成丝。由于纳米二氧化硅的高流动性和小尺寸效应，使材料表面更加致密细洁，摩擦系数变小，加之纳米颗粒的高强度，使材料的耐磨性大大增强。

3、抗老化性能。环氧树脂基复合材料使用过程中一个致命的弱点是抗老化性能差，其原因主要是太阳辐射的280-400nm波段的紫外线中、长波作用，它对树脂基复合材料的破坏作用是十分严重的，高分子链的降解致使树脂基复合材料迅速老化。而纳米二氧化硅可以强烈地反射紫外线，加入到环氧树脂中可大大减少紫外线对环氧树脂的降解作用，从而达到延缓材料老化的目的。

（三）塑料

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（吸水率、绝缘电阻、压缩残余变形、挠曲强度等）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。

（四）涂料

我国是涂料生产和消费大国，但当前国产涂料普遍存在着性能方面的不足，诸如悬浮稳定性差、触变性差、耐候性差、耐洗刷性差等，致使每年需进口大量高质量的涂料。上海、北京、杭州、宁波等地的一些涂料生产企业敢于创新，成功地实现了纳米二氧化硅在涂料中的应用，这种纳米改性涂料一改以往产品的不足，经检测其主要性能指标除对比率不变外，其余均大幅提高，如外墙涂料的耐洗刷性由原来的一千多次提高到一万多次，人工加速气候老化和人工辐射暴露老化时间由原来的250小时（粉化1级、变色2级）提高到600小时（无粉化，漆膜无变色，色差值4.8），此外涂膜与墙体结合强度大幅提高，涂膜硬度显著增加，表面自洁能力也获得改善。

（五）橡胶

橡胶是一种伸缩性优异的弹性体，但其综合性能并不令人满意，生产橡胶制品过程中通常 需在胶料中加入炭黑来提高强度、耐磨性和抗老化性，但由于炭黑的加入使得制品均为黑色，且档次不高。而纳米SiO₂在我国的问世为生产出色彩新颖、性能优异的新一代橡胶制品奠定了物质基础。

在普通橡胶中添加少量纳米SiO₂后，产品的强度、耐磨性和抗老化性等性能均达到或超过高档橡胶制品，而且可以保持颜色长久不变。纳米改性彩色三元乙丙防水卷材，其耐磨性、抗拉强度、抗折性、抗老化性能均提高明显，且色彩鲜艳，保色效果优异。彩色轮胎的研制工作也取得了一定的进展，如轮胎侧面胶的抗折性能由原来的10万次提高到50万次以上，有望在不久的将来，实现国产汽车、摩托车轮胎的彩色化。

（六）颜（染）料

有机颜（染）料虽具有鲜艳的色彩和很强的着色力，但一般耐光、耐热、耐溶剂和耐迁移性能往往不及无机颜料。通过添加纳米SiO₂对有机颜（染）料进行表面改性处理，不但使颜（染）料抗老化性能大幅提高，而且亮度、色调和饱和度等指标也均出现一定程度的提高，性能可与进口高档产品相媲美，极大地拓宽了有机颜（染）料的档次和应用范围。

（七）陶瓷

用纳米SiO₂代替纳米A1₂O₃添加到95瓷里，既可以起到纳米颗粒的作用，同时它又是第二相的颗粒，不但提高陶瓷材料的强度、韧性，而且提高了材料的硬度和弹性模量等性能，其效果比添加A1₂O₃更理想。

利用纳米SiO₂来复合陶瓷基片，不但提高了基片的致密性、韧性和光洁度，而且烧结温度大幅降低。此外，纳米SiO₂在陶瓷过滤网、刚玉球等陶瓷产品中应用效果也十分显著。

（八）密封胶、粘结剂

密封胶、粘结剂是量大、面广、使用范围宽的重要产品。它要求产品粘度、流动性、固化速度达最佳条件。我国在这个领域的产品比较落后，高档的密封胶和粘结剂都依赖进口。国外在这个领域的产品已经采用纳米材料作改性剂，而纳米SiO₂是首选材料，它主要是在纳米Si02表面包敷一层有机材料，使之具有憎水性，将它添加到密封胶中很快形成一种硅石结构，即纳米Si0X小颗粒形成网络结构抑制胶体流动，加快固化速度，提高粘结效果，由于纳米Si02颗粒尺小从而也增加了产品的密封性和防渗性。

（九）玻璃钢制品

玻璃钢制品虽然有轻质、高强、耐腐蚀等优点，但其本身硬度较低、耐磨性较差。有关专家通过超声分散方法将纳米SiO₂添加到胶衣树脂中，与未加纳米SiO₂的胶衣做性能对比实验，发现其莫氏硬度由原来的2.2级（相当于石膏的硬度）提高到2.8~2.9级（3级是天然大理石硬度），耐磨性提高1~2倍，因纳米颗粒与有机高分子产生接枝和键合作用，使材料韧性增加，故抗拉强度和抗冲击强度提高1倍以上，耐热性能也大幅提高。

（十）药物载体

随着当前城市生活垃圾的大幅增长以及环境污染的日趋严重，加大消灭“四害”的力度、预防疾病的传播已十分迫切。在树干上涂刷石灰、向垃圾箱喷洒药水已作用不大，大城市已采用喷涂中枢神经麻醉药类杀虫剂来消灭蚊子、苍蝇、蟑螂等昆虫类害虫，但这些杀虫剂多从国外进口，价格较高，喷涂后有效期较短（只有一个月）。采用纳米SiO₂为载体吸附该类杀虫剂，起到了很好的缓释效果，据测定，其喷涂后有效期长达一年以上。

（十一）化妆品

对于化妆品来说，要求对紫外线屏蔽能力强，最好是既能防护紫外中波（UVB）对人体的危害，亦能对紫外长波（UVA）起防护作用。实质上，紫外屏蔽包括两方面，一是前面所述对紫外线的吸收，另一方面是对紫外线的反射，世界上从紫外反射性能角度开发的抗紫外剂还未见报道。

在防晒产品中以往多使用有机化合物为紫外线吸收剂，但是存在诸如为了尽可能保护皮肤不接触紫外线而提高添加量之后，会增加发生皮肤癌以及产生化学性过敏等问题，而纳米SiO₂为无机成分，易于与化妆品其它组分配伍，无毒、无味，不存在上述问题，且自身为白色，可以简单地加以着色，尤其可贵的是纳米SiO₂反射紫外能力强、稳定性好，被紫外线照射后不分解，不变色，也不会与配方中其它组分起化学反应。纳米SiO₂的这些突出特点为防晒化妆品的升级换代奠定了良好的基础。

（十二）抗菌材料

利用纳米SiO₂庞大的比表面积、表面多介孔结构和超强的吸附能力以及奇异的理化特性，将银离子等功能离子均匀地设计到纳米SiO₂表面的介孔中，并实施稳定，成功开发出高效、持久、耐高温、广谱抗菌的纳米抗菌粉（粒径只有70纳米左右），不但填补国内空白，而且主要技术指标均达到或超过日本同类产品。经检测，当纳米抗菌粉在水中的浓度仅为0.315%时，对革兰氏阳性代表菌种与革兰氏阴性代表菌种的抗菌能力就可以非常明显的表露出来，抑菌圈出现2—3mm，且随着纳米抗菌粉在水中浓度的增加，抑菌圈明显增大。据测定，水中含Ag⁺为0.01mg/1时，就能完全杀灭水中的大肠杆菌，并能保持长达90天内不繁衍出新的菌丛。

将纳米抗菌粉应用于搪瓷釉料中，生产出具有防霉、抗菌功能的滚筒洗衣机，其抗菌率高达99%以上。应该指出的是，纳米抗菌粉在搪瓷釉料中使用条件较为苛刻，须在碱性较强的液体中和高温（900℃左右）烧瓷后仍保持很强的抗菌性能，这是其它抗菌粉望尘莫及的。将纳米抗菌粉添加在内墙涂料中，生产出了具有长久抗菌防霉功能的内墙涂料。将纳米抗菌粉用在妇女内裤洗涤剂、羊毛、羊绒洗涤剂、洗洁精、洗手液中，经卫生防疫部门检测，其抗菌性能十分显著。可以预见，随着人们健康意识的增强，纳米抗菌粉将逐渐被相关应用企业的广大民众所接受，在票据、医疗卫生、化学建材、家电制品、功能纤维、塑料制品等行业中崭露头角。

（十三）其它

1、在光学领域的应用

纳米微粒应用于红外反射材料主要是制成薄膜和多层膜来使用。纳米微粒的膜材料在灯泡工业上有很好的应用前景。高压钠灯以及各种用于拍照、摄影的碘弧灯都要求强照明，但是灯丝被加热后69%的能量转化为红外线，这就表明有相当多的电能转化为热能被消耗掉，仅有一少部分转化为光能来照明，同时，灯管发热也会影响灯具的寿命，如何提高发光效率，增加照明度一直是急待解决的关键问题。纳米微粒的诞生为解决这个问题提供了一个新的途径。80年代以来，科研技术人员用纳米SiO₂和纳米TiO₂微粒制成了多层干涉膜，总厚度为微米级，衬在灯泡罩的内壁，结果不但透光率好，而且有很强的红外线反射能力。据专家测算同种灯光亮度下，该种灯具与传统的卤素灯相比，可节约15%的电能。

2、新型有机玻璃添加剂