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                                二氧化硅的應用

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                                二氧化硅的應用

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                                【摘要】:
                                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。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”結構由于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”(Pr

                                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。

                                那么氣相二氧化硅到底有哪些獨特的結構和性能呢?

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                                獨特的“三維枝狀”結構

                                由于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)。

                                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、放流掛等性能。

                                 

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                                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。圖4是氣相二氧化硅表面結構示意圖

                                 

                                圖4 氣相二氧化硅表面結構示意圖

                                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。

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                                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。

                                 

                                由于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。

                                而在粉體行業領域,氣相二氧化硅主要是作為抗結塊劑被廣泛使用。

                                前面我們說到,氣相二氧化硅本身具有粒徑小、比表面積大的特性,這樣的特性使它具有良好的吸附性能,氣相二氧化硅在粉體行業中能夠被廣泛使用,也是得益于此。如下分析:

                                • 擁有較大的比表面積。此特性使它能包裹在粉體物質表面,對粉體顆粒之間起到間隔的作用,從而防止粘連促進粉體的自由流動。

                                • 擁有較強的吸附性能。氣相二氧化硅的獨特結構可以促進它吸收粉體表面的油脂和水分,從而降低粉體之間的粘連。

                                • 在粉末體系中,由于白炭黑的小粒徑和高表面能,他們可以吸附在粉末粒子的表面,從而在表面形成一個表層,提高粉體的流動性,從而大大提高粉末體系在生產、運輸過程中的效率。同時,在諸如環境友好的高固含量油漆和粉末涂料等體系中,氣相二氧化硅還可以作為分散劑使用。

                                因此,氣相二氧化硅也成為粉體行業中使用最廣泛的添加劑之一,應用于粉末食品(奶粉、咖啡、調味料)、粉末涂料、農藥、飼料等粉體產品中。   

                                另外,氣相二氧化硅還具有堆積密度小、孔隙率高等一系列獨特性能,這都與氣相二氧化硅獨特的生產工藝分不開;而這些獨特的結構和性能,也為氣相二氧化硅帶來與其他二氧化硅不同的獨特應用性能。

                                 

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