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二氧化硅的用途

發布時間:2018-10-23人氣:33

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,由于其粒徑很小,因此比表面積大,表面吸附力強,表面能大,化學純度高、分散性能好、熱阻、電阻等方面具有特異的性能,以其優越的穩定性、補強性、增稠性和觸變性,在眾多學科及領域內獨具特性,有著不可取代的作用。氣相二氧化硅俗稱“超微細白炭黑”,廣泛用于各行業作為添加劑、催化劑載體,石油化工,脫色劑,消光劑,橡膠補強劑,塑料充填劑,油墨增稠劑,金屬軟性磨光劑,絕緣絕熱填充劑,高級日用化妝品填料及噴涂材料、醫藥、環保等各種領域。并為相關工業領域的發展提供了新材料基礎和技術保證。由于它在磁性、催化性、光吸收、熱阻和熔點等方面與常規材料相比顯示出特異功能,因而得到人們的極大重視。

一、電子封裝材料

有機物電致發光器材(OELD)是目前新開發研制的一種新型平面顯示器件,具有開啟和驅動電壓低,且可直流電壓驅動,可與規模集成電路相匹配,易實現全彩色化,發光亮度高(>105cd/m2)等優點,但OELD器件使用壽命還不能滿足應用要求,其中需要解決的技術難點之一就是器件的封裝材料和封裝技術。目前,國外(日、美、歐洲等)廣泛采用有機硅改性環氧樹脂,即通過兩者之間的共混、共聚或接枝反應而達到既能降低環氧樹脂內應力又能形成分子內增韌,提高耐高溫性能,同時也提高有機硅的防水、防油、抗氧性能,但其需要的固化時間較長(幾個小時到幾天),要加快固化反應,需要在較高溫度(60℃至100℃以上)或增大固化劑的使用量,這不但增加成本,而且還難于滿足大規模器件生產線對封裝材料的要求(時間短、室溫封裝)。將經表面活性處理后的氣相二氧化硅充分分散在有機硅改性環氧樹脂封裝膠基質中,可以大幅度地縮短封裝材料固化時間(為2.0-2.5h),且固化溫度可降低到室溫,使OELD器件密封性能得到顯著提高,增加OELD器件的使用壽命。

二、樹脂復合材料

樹脂基復合材料具有輕質、高強、耐腐蝕等特點,但近年來材料界和國民經濟支柱產業對樹脂基材料使用性能的要求越來越高,如何合成高性能的樹脂基復合材料,已成為當前材料界和企業界的重要課題。氣相二氧化硅的問世,為樹脂基復合材料的合成提供了新的機遇,為傳統樹脂基材料的改性提供了一條新的途徑,只要能將氣相二氧化硅顆粒充分、均勻地分散到樹脂材料中,完全能達到全面改善樹脂基材料性能的目的。

1、提高強度和延伸率。環氧樹脂是基本的樹脂材料,把氣相二氧化硅添加到環氧樹脂中,在結構上完全不同于粗晶二氧化硅(白炭黑等)添加的環氧樹脂基復合材料,粗晶SiO2一般作為補強劑加入,它主要分布在高分子材料的鏈間中,而氣相二氧化硅由于表面嚴重的配位不足、龐大的比表面積以及表面欠氧等特點,使它表現出極強的活性,很容易和環氧環狀分子的氧起鍵合作用,提高了分子間的鍵力,同時尚有一部分氣相二氧化硅顆粒仍然分布在高分子鏈的空隙中,與粗晶SiO?顆粒相比較,表現很高的流漣性,從而使氣相二氧化硅添加的環氧樹脂材料強度、韌性、延展性均大幅度提高。

2、提高耐磨性和改善材料表面的光潔度。氣相二氧化硅顆粒比SiO2要小100—1000倍,將其添加到環氧樹脂中,有利于拉成絲。由于氣相二氧化硅的高流動性和小尺寸效應,使材料表面更加致密細潔,摩擦系數變小,加之納米顆粒的高強度,使材料的耐磨性大大增強。

3、抗老化性能。環氧樹脂基復合材料使用過程中一個致命的弱點是抗老化性能差,其原因主要是太陽輻射的280—400nm波段的紫外線中、長波作用,它對樹脂基復合材料的破壞作用是十分嚴重的,高分子鏈的降解致使樹脂基復合材料迅速老化。而氣相二氧化硅可以強烈地反射紫外線,加入到環氧樹脂中可大大減少紫外線對環氧樹脂的降解作用,從而達到延緩材料老化的目的。

三、塑料

利用氣相二氧化硅透光、粒度小,可以使塑料變得更加致密,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、強度、韌性,而且防水性能和抗老化性能也明顯提高。通過在普通塑料聚氯乙烯中添加少量氣相二氧化硅后生產出的塑鋼門窗硬度、光潔度和抗老化性能均大幅提高。利用氣相二氧化硅對普通塑料聚丙烯進行改性,主要技術指標(吸水率、絕緣電阻、壓縮殘余變形、撓曲強度等)均達到或超過工程塑料尼龍6的性能指標,實現了聚丙烯鐵道配件替代尼龍6使用,產品成本大幅下降,其經濟效益和社會效益十分顯著。

四、涂料

我國是涂料生產和消費大國,但當前國產涂料普遍存在著性能方面的不足,諸如懸浮穩定性差、觸變性差、耐候性差、耐洗刷性差等,致使每年需進口大量高質量的涂料。上海、北京、杭州、寧波等地的一些涂料生產企業敢于創新,成功地實現了氣相二氧化硅在涂料中的應用,這種納米改性涂料一改以往產品的不足,經檢測其主要性能指標除對比率不變外,其余均大幅提高,如外墻涂料的耐洗刷性由原來的一千多次提高到一萬多次,人工加速氣候老化和人工輻射暴露老化時間由原來的250小時(粉化1級、變色2級)提高到600小時(無粉化,漆膜無變色,色差值4.8),此外涂膜與墻體結合強度大幅提高,涂膜硬度顯著增加,表面自潔能力也獲得改善。

五、橡膠

橡膠是一種伸縮性優異的彈性體,但其綜合性能并不令人滿意,生產橡膠制品過程中通常需在膠料中加入炭黑來提高強度、耐磨性和抗老化性,但由于炭黑的加入使得制品均為黑色,且檔次不高。而氣相二氧化硅在我國的問世為生產出色彩新穎、性能優異的新一代橡膠制品奠定了物質基礎。 在普通橡膠中添加少量氣相二氧化硅后,產品的強度、耐磨性和抗老化性等性能均達到或超過高檔橡膠制品,而且可以保持顏色長久不變。納米改性彩色三元乙丙防水卷材,其耐磨性、抗拉強度、抗折性、抗老化性能均提高明顯,且色彩鮮艷,保色效果優異。彩色輪胎的研制工作也取得了一定的進展,如輪胎側面膠的抗折性能由原來的10萬次提高到50萬次以上,有望在不久的將來,實現國產汽車、摩托車輪胎的彩色化。

六、顏(染)料

有機顏(染)料雖具有鮮艷的色彩和很強的著色力,但一般耐光、耐熱、耐溶劑和耐遷移性能往往不及無機顏料。通過添加氣相二氧化硅對有機顏(染)料進行表面改性處理,不但使顏(染)料抗老化性能大幅提高,而且亮度、色調和飽和度等指標也均出現一定程度的提高,性能可與進口高檔產品相媲美,極大地拓寬了有機顏(染)料的檔次和應用范圍。

七、陶瓷

用氣相二氧化硅代替氣相三氧化二鋁添加到95瓷里,既可以起到納米顆粒的作用,同時它又是第二相的顆粒,不但提高陶瓷材料的強度、韌性,而且提高了材料的硬度和彈性模量等性能,其效果比添加A1203更理想。 利用氣相二氧化硅來復合陶瓷基片,不但提高了基片的致密性、韌性和光潔度,而且燒結溫度大幅降低。此外,氣相二氧化硅在陶瓷過濾網、剛玉球等陶瓷產品中應用效果也十分顯著。

八、密封膠、粘結劑

密封膠、粘結劑是量大、面廣、使用范圍寬的重要產品。它要求產品粘度、流動性、固化速度達最佳條件。我國在這個領域的產品比較落后,高檔的密封膠和粘結劑都依賴進口。國外在這個領域的產品已經采用納米材料作改性劑,而氣相二氧化硅是首選材料,它主要是在氣相二氧化硅表面包敷一層有機材料,使之具有憎水性,將它添加到密封膠中很快形成一種硅石結構,即氣相二氧化硅小顆粒形成網絡結構抑制膠體流動,加快固化速度,提高粘結效果,由于氣相二氧化硅顆粒尺小從而也增加了產品的密封性和防滲性。

九、玻璃鋼制品

玻璃鋼制品雖然有輕質、高強、耐腐蝕等優點,但其本身硬度較低、耐磨性較差。有關專家通過超聲分散方法將氣相二氧化硅添加到膠衣樹脂中,與未加氣相二氧化硅的膠衣做性能對比實驗,發現其莫氏硬度由原來的2.2級(相當于石膏的硬度)提高到2.8~2.9級(3級是天然大理石硬度),耐磨性提高1~2倍,因納米顆粒與有機高分子產生接枝和鍵合作用,使材料韌性增加,故抗拉強度和抗沖擊強度提高1倍以上,耐熱性能也大幅提高。

十、藥物載體

隨著當前城市生活垃圾的大幅增長以及環境污染的日趨嚴重,加大消滅“四害”的力度、預防疾病的傳播已十分迫切。在樹干上涂刷石灰、向垃圾箱噴灑藥水已作用不大,現在大城市已采用噴涂中樞神經麻醉藥類殺蟲劑來消滅蚊子、蒼蠅、蟑螂等昆蟲類害蟲,但這些殺蟲劑多從國外進口,價格較高,噴涂后有效期較短(只有一個月)。采用氣相二氧化硅為載體吸附該類殺蟲劑,起到了很好的緩釋效果,據測定,其噴涂后有效期長達一年以上。

十一、化妝品

對于化妝品來說,要求對紫外線屏蔽能力強,最好是既能防護紫外中波(UVB)對人體的危害,亦能對紫外長波(UVA)起防護作用。實質上,紫外屏蔽包括兩方面,一是前面所述對紫外線的吸收,另一方面是對紫外線的反射,目前,世界上從紫外反射性能角度開發的抗紫外劑還未見報道。 在防曬產品中以往多使用有機化合物為紫外線吸收劑,但是存在諸如為了盡可能保護皮膚不接觸紫外線而提高添加量之后,會增加發生皮膚癌以及產生化學性過敏等問題,而氣相二氧化硅為無機成分,易于與化妝品其它組分配伍,無毒、無味,不存在上述問題,且自身為白色,可以簡單地加以著色,尤其可貴的是氣相二氧化硅反射紫外能力強、穩定性好,被紫外線照射后不分解,不變色,也不會與配方中其它組分起化學反應。氣相二氧化硅的這些突出特點為防曬化妝品的升級換代奠定了良好的基礎。

十二、抗菌材料

利用氣相二氧化硅龐大的比表面積、表面多介孔結構和超強的吸附能力以及奇異的理化特性,將銀離子等功能離子均勻地設計到氣相二氧化硅表面的介孔中,并實施穩定,成功開發出高效、持久、耐高溫、廣譜抗菌的納米抗菌粉(粒徑只有70納米左右),不但填補國內空白,而且主要技術指標均達到或超過日本同類產品。經檢測,當納米抗菌粉在水中的濃度僅為0.315%時,對革蘭氏陽性代表菌種與革蘭氏陰性代表菌種的抗菌能力就可以非常明顯的表露出來,抑菌圈出現2—3mm,且隨著納米抗菌粉在水中濃度的增加,抑菌圈明顯增大。據測定,水中含Ag+為0.01mg/1時,就能完全殺滅水中的大腸桿菌,并能保持長達90天內不繁衍出新的菌叢。 將納米抗菌粉應用于搪瓷釉料中,生產出具有防霉、抗菌功能的滾筒洗衣機,其抗菌率高達99%以上。應該指出的是,納米抗菌粉在搪瓷釉料中使用條件較為苛刻,須在堿性較強的液體中和高溫(900℃左右)燒瓷后仍保持很強的抗菌性能,這是其它抗菌粉望塵莫及的。將納米抗菌粉添加在內墻涂料中,生產出了具有長久抗菌防霉功能的內墻涂料。將納米抗菌粉用在婦女內褲洗滌劑、羊毛、羊絨洗滌劑、洗潔精、洗手液中,經衛生防疫部門檢測,其抗菌性能十分顯著??梢灶A見,隨著人們健康意識的增強,納米抗菌粉將逐漸被相關應用企業的廣大民眾所接受,在票據、醫療衛生、化學建材、家電制品、功能纖維、塑料制品等行業中嶄露頭角。

十三、其它

1、在光學領域的應用 納米微粒應用于紅外反射材料主要是制成薄膜和多層膜來使用。納米微粒的膜材料在燈泡工業上有很好的應用前景。高壓鈉燈以及各種用于拍照、攝影的碘弧燈都要求強照明,但是燈絲被加熱后69%的能量轉化為紅外線,這就表明有相當多的電能轉化為熱能被消耗掉,僅有一少部分轉化為光能來照明,同時,燈管發熱也會影響燈具的壽命,如何提高發光效率,增加照明度一直是急待解決的關鍵問題。納米微粒的誕生為解決這個問題提供了一個新的途徑。80年代以來,科研技術人員用氣相二氧化硅和納米二氧化鈦微粒制成了多層干涉膜,總厚度為微米級,襯在燈泡罩的內壁,結果不但透光率好,而且有很強的紅外線反射能力。據專家測算同種燈光亮度下,該種燈具與傳統的鹵素燈相比,可節約15%的電能。

2、新型有機玻璃添加劑,飛機的窗口材料常用的是有機玻璃(PMMA),當飛機在高空飛行時窗口材料經紫外線輻射易老化,造成透明度下降。為解決此問題,利用氣相二氧化硅極強的紫外反射性能,在有機玻璃生產過程中加入表面修飾后的氣相二氧化硅,生產出的產品抗紫外線輻射能力提高一倍以上,抗沖擊強度提高80%。


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