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氣相二氧化硅的簡介及應用

氣相二氧化硅的簡介及應用

編輯:轉自:材料科學與工程技術 發布時間:2023-09-01

一、氣相二氧化硅簡介:


      氣相二氧化硅是極其重要的高科技超微細無機新材料之一,具有多孔性,無毒無味無污染,平均原生粒徑約為7-40納米,比表面積50~380m2/g,產品純度高,SiO2含量不小于99.8%,是一種多功能的添加劑。


       二氧化硅(SiO2)在自然界的含量是非常豐富的。沙子、水晶、石英砂、硅微粉、硅藻土等,主要成分都是SiO2;合成二氧化硅中,沉淀法白炭黑,氣相法白炭黑等,其主要成分也是SiO2。像沙粒,硅微粉和硅藻土等,這些是天然的產品,它們有些是未經加工直接應用,有些則經過加工后進入市場,但是產品的應用領域都非常有限;沉淀法白炭黑(二氧化硅)和氣相法白炭黑(二氧化硅)是應用最廣的化學制備的二氧化硅產品,沉淀法白炭黑雖然用量比較大,但是氣相法白炭黑的應用領域卻更廣。在市場上,氣相法白炭黑產品的售價也最高(作為飾品和收藏的水晶除外),所涉及的應用領域也最廣。

、氣相二氧化硅生產工藝:

        氣相二氧化硅是通過鹵硅烷在氫氧焰中高溫水解縮合而得到的一種超細粉體材料(圖1是氣相二氧化硅合成原理示意圖)。由于其獨特的制備工藝,使得它具有與其他二氧化硅產品不同的結構和獨特的性能。

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氣相法白炭黑的生產工藝,具有如下特點:

(1)在原料方面,合成氣相法白炭黑的原料非常簡單,一類是鹵硅烷(SiCl4和CH3SiCl3)和可燃氣體(氫氣和氧氣(空氣)),有效防止其他物質帶入產品。

(2)在工藝方面,鹵硅烷是先汽化后進入反應器,水解反應的溫度也在2000℃左右,然后聚集,分離,脫酸等工藝都在高溫下完成,整個流程是在一個連續、密封的系統完成,保證產品不受外界影響和污染。

(3)整個生產裝置各個關鍵環節都采用耐高溫、耐酸堿腐蝕材料,可避免在生產過程中其他污染源進入產品。

      氣相法白炭黑生產的原材料、生產工藝的特點,使得氣相法白炭黑產品具有粒徑?。ㄔ?-40nm)、比表面積大(100-400m2/g)、表面活性高(表面含有高活性Si-OH基團);在這種特殊的工藝下制備的氣相法白炭黑產品也具有特殊三位枝狀結構,產品孔隙率高。在外觀上,氣相法白炭黑表現為“煙霧”狀的蓬松的白色超細粉末,所以具有fumed silica這一英文名字。

、氣相二氧化硅的結構及性能:

那么氣相二氧化硅到底有哪些獨特的結構和性能呢?

(1)獨特的“三維枝狀”結構

       氣相二氧化硅在生產過程中,首先是鹵硅烷水解縮合成單個的二氧化硅微粒,然后逐漸長大成7-40納米的球形顆粒,該顆粒稱作二氧化硅的“原生粒子”(Primary Particle)。

    “原生粒子”在反應爐內隨著火焰方向繼續向前運動,粒子之間相互碰撞,此時由于反應爐內溫度還比較高,粒子還接近于熔融狀態,粒子碰撞后熔接在一起,形成由多個球狀粒子熔接在一起的三維枝狀結構的粒子,稱為二氧化硅的“聚集體”(Aggregate Particle)。由于聚集體中的粒子是相互熔接在一起的,因此是穩定的結構,幾乎不可能分開的。

       二氧化硅“聚集體”在管道內隨著氣流繼續向前運動、碰撞,然后相互連接在一起,形成絮狀的蓬松的粉體,稱作二氧化硅的“附聚體”(Agglomerate Particle)。由于此時管道內的溫度較低,“聚集體”之間的連接只是通過物理吸附連接在一起,是一種不穩定的結構,在一定的機械力下,是可分開的(可分散的)。

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      圖2是氣相二氧化硅的透射電鏡照片;圖3是沉淀法二氧化硅的透射電鏡照片。從照片中可以看出二者之間的分散狀態時有明顯的區別,正是由于氣相二氧化硅在體系中分散后,可以形成“近乎完美”的納米粒子三維網絡結構,使得它具有優異的補強、增稠、觸變、防沉降、防流掛等性能。

(2)表面活性高

      氣相二氧化硅在高溫水解縮合過程中,表面還殘留有部分硅羥基(Si-OH),表面硅羥基的存在,使得氣相二氧化硅的表面極性較強,表面活性較高。

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       從圖中可以看出,氣相二氧化硅表面存在“硅氧基”和“硅羥基”,其中的硅羥基具有較高的活性,可以形成氫鍵,或者與其它基團反應,這也保證了二氧化硅粒子之間能形成穩定的網絡,同時與其它介質之間具有良好地相互作用,使得二氧化硅呈現出良好的增強、增韌;增稠觸變以及防沉降等性能。

       另外,硅羥基的存在,也為氣相二氧化硅的表面修飾提供可能,選擇不同結構的表面改性劑與硅羥基進行反應,把一些功能性基團接枝到氣相二氧化硅表面,從而使得氣相二氧化硅的功能更加多樣化。

(3)粒徑小,比表面積大

       氣相二氧化硅的“原生粒徑”為7-40nm,這是一個什么概念呢?我們可以從下面這個表中的數據對比來理解。如果我們把一個氣相二氧化硅粒子放大到一個標準足球那么大,需要放大3千萬倍左右;如果按等比例,把足球放大3千萬倍左右,那它將變得跟火星差不多大44.png

      氣相二氧化硅的粒徑小,使得它的比表面積非常大,通常氣相二氧化硅的比表面為100-400m2/g。通常我們一套150m2的房子,其室內面積也就120m2左右,即使用目前市場通用最低比表面積的氣相二氧化硅產品(如HL-150),不到1g,其比表面積就可以覆蓋整個房子室內面積!而如果像比表面積高的產品(如HL-380),僅18.8g產品,其比表面積就相當于一個標準足球場的面積那么大!正是由于氣相二氧化硅粒徑小、比表面積大的特性,使得它具有良好的吸附性能,可廣泛應用于催化劑、食品、醫藥、保溫材料等領域,起著吸附、防結塊、隔熱等功能。

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四、氣相二氧化硅的應用:

       氣相法白炭黑是無定形態,純度高(SiO2%≥99.8%),表面活性硅羥基的存在,以及氣相法白炭黑堆積密度低,流動性好的特點,為氣相法白炭黑實現干法表面改性成為可能,可以在不破壞氣相法白炭黑特殊結構的情況下實現表面改性,通過選擇不同結構和功能的表面改性劑對其改性,可以獲得不同功能產品,從而實現氣相法白炭黑的功能化。

       氣相法白炭黑這一系列獨特結構和性能,使得它在實際應用中體現出優異的補強、增稠、觸變、防沉、抗流掛、吸附、隔熱等功能,在橡膠、塑料、涂膠、膠粘劑、工業催化、食品、醫藥、CMP、隔熱保溫材料等幾十個領域有著廣泛的應用,使氣相法白炭黑真正成為二氧化硅中的“白富美”和市場的“寵兒”。

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