納米球形二氧化硅粉體的制備、性能及應(yīng)用研究.pdf

1、納米材料科學(xué)是一門新興的材料科學(xué),近年來發(fā)展十分迅速。納米材料具有許多獨(dú)特的性質(zhì),應(yīng)用范圍不斷拓展,具有很好的應(yīng)用前景,被譽(yù)為21世紀(jì)最有前途的材料。納米SiO2是納米材料中的重要一員,廣泛應(yīng)用在復(fù)合材料、陶瓷、橡膠、塑料、涂料等諸多領(lǐng)域。近年來納米SiO2在高新技術(shù)領(lǐng)域嶄露角色,如用于制備光子晶體、光纖和高性能色譜分析柱的填充材料等。納米SiO2的研究一直都是各國科研人員的關(guān)注熱點(diǎn)。
　　 以TEOS為原料、以氨水作催化劑,異

2、丙醇作共溶劑,通過改進(jìn)Stober工藝,采用醇鹽水解法在醇水氨體系中制備了粒徑為170nm的單分散球形SiO2粉體,其中氨作為催化劑提供強(qiáng)親核劑。采用單因素實(shí)驗(yàn),考察了反應(yīng)溫度、攪拌強(qiáng)度、原料配比對SiO2粒度的影響。并采用現(xiàn)代檢測手段進(jìn)行表征。得到了制各非晶態(tài)超細(xì)SiO2粒子的優(yōu)化工藝條件。結(jié)果表明反應(yīng)溫度和原料配比對SiO2粒度影響部很大,攪拌強(qiáng)度的影響較小。非品態(tài)SiO2粉體顆粒外形規(guī)則、粒度均勻,粒徑范圍窄。
　　 單分

3、散球形SiO2粉體表面含有大量羥基,檢測發(fā)現(xiàn)羥基含量可達(dá)13％。納米SiO2材料在高檔橡膠和涂料中的應(yīng)用正是應(yīng)用該性質(zhì)。但是羥基的存在影響了納米SiO2在某些行業(yè)的應(yīng)用,比如說藥物載體。為此,進(jìn)行了納米SiO2脫羥基實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)后SiO2的IR譜圖只存在Si-O-Si鍵的特征峰,樣品SiO2純度達(dá)到了99.92％。
　　 利用差熱-熱重分析研究了SiO2粉體脫除羥基動(dòng)力學(xué),SiO2粉體在80-150℃和480-550℃范圍失重明顯

4、,分別對應(yīng)脫水和脫除羥基峰。根據(jù)質(zhì)量作用定律和阿侖尼烏斯公式,采用Doyle-Ozawa法和Kissinger法研究SiO2粉體脫除羥基的動(dòng)力學(xué),計(jì)算反應(yīng)過程的表觀活化能E、反應(yīng)級數(shù)n和頻率因子A等動(dòng)力學(xué)參數(shù),得到了動(dòng)力學(xué)方程,并應(yīng)用Coast-Redfem法加以驗(yàn)證。樣品在1100℃以后開始發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變,到1200℃晶型轉(zhuǎn)變完成。在1000℃以下,納米SiO2粉體粒度和晶態(tài)都沒有變化,熱穩(wěn)定性良好。
　　 論文研究了制備單分散

5、球形SiO2粉體的優(yōu)化工藝,采用超聲波輔助水解法和微波輔助水解法制備單分散球形SiO2。超聲波輔助水解法研究了超聲波功率、反應(yīng)溫度、原料配比和氨水濃度對產(chǎn)品粒度和性能的影響,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)四因素三水平的正交實(shí)驗(yàn),得到了超聲波輔助水解法和微波輔助水解法的最佳反應(yīng)條件。超聲波輔助水解法的最佳反應(yīng)條件為:超聲波功率80W、溫度范圍為30-40℃、攪拌強(qiáng)度為600r·min-1、原料摩爾配比nH2O:nTEOS為5:1;微波輔助水解法的最佳反應(yīng)

6、條件為氨水濃度0.25mol·L-1、nH2O:nTEOS為6:1、溫度范圍為30-40℃、攪拌強(qiáng)度為600r·min-1。在最佳條件下分別得到了外形規(guī)則、粒度均勻、平均粒徑為36nm和80nm的單分散球形SiO2顆粒。研究中發(fā)現(xiàn)TEOS反應(yīng)分為水解和縮聚兩步,縮聚反應(yīng)是控制步驟。這是因?yàn)镺H-半徑較小,為0.09nm,它發(fā)生親核取代,直接進(jìn)攻正硅酸乙酯中的Si原子,致使-C2H5偏移,消弱Si-O鍵并最終使之?dāng)嗔?完成水解,且一旦第一

7、個(gè)-C2H5被替代,下一替代更易進(jìn)行。并利用Kissinger法對微波工藝得到的納米SiO2粉體進(jìn)行了脫除羥基動(dòng)力學(xué)計(jì)算。
　　 考察了納米SiO2粉體作為填料對甲基乙烯基硅橡膠的補(bǔ)強(qiáng)作用,發(fā)現(xiàn)納米SiO2粉體添加到橡膠中,其抗拉強(qiáng)度明顯提高,且隨添加量不同,甲基乙烯基硅橡膠的抗拉強(qiáng)度也不同。且SiO2粉體顆粒愈小,等量添加后抗拉強(qiáng)度愈大。
　　 通過水熱法制備了微米級六角纖鋅礦型ZnO粉體材料,晶體為花狀團(tuán)簇,有許多細(xì)

8、小的針狀分支、生長均勻。在此基礎(chǔ)上合成了ZnO/SiO2復(fù)合材料。ZnO粉體顆粒作為基體,納米SiO2均勻包覆在ZnO粉體顆粒外面,形成一層均勻的薄膜。ZnO/SiO2材料的UV-VIS存在明顯藍(lán)移。初步探討了ZnO的存在對TEOS水解制備納米SiO2的影響,討論了納米SiO2的生成過程。
　　 采用均勻沉淀法制備了納米Y2O3粉體,樣品顆粒均勻,大小為32nm。采用醇鹽水解法制備了SiO2白色懸濁液,SiO2顆粒大小均一,粒度