气相二氧化硅的简介及应用

2023-09-12

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一、气相二氧化硅简介:

      气相二氧化硅是极其重要的高科技超微细无机新材料之一,具有多孔性,无毒无味无污染,平均原生粒径约为7-40纳米,比表面积50~380m2/g,产品纯度高,SiO2含量不小于99.8%,是一种多功能的添加剂。

       二氧化硅(SiO2)在自然界的含量是非常丰富的。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,气相法白炭黑等,其主要成分也是SiO2。像沙粒,硅微粉和硅藻土等,这些是天然的产品,它们有些是未经加工直接应用,有些则经过加工后进入市场,但是产品的应用领域都非常有限;沉淀法白炭黑(二氧化硅)和气相法白炭黑(二氧化硅)是应用最广的化学制备的二氧化硅产品,沉淀法白炭黑虽然用量比较大,但是气相法白炭黑的应用领域却更广。在市场上,气相法白炭黑产品的售价也最高(作为饰品和收藏的水晶除外),所涉及的应用领域也最广。

二、气相二氧化硅生产工艺:

        气相二氧化硅是通过卤硅烷在氢氧焰中高温水解缩合而得到的一种超细粉体材料(图1是气相二氧化硅合成原理示意图)。由于其独特的制备工艺,使得它具有与其他二氧化硅产品不同的结构和独特的性能。

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气相法白炭黑的生产工艺,具有如下特点:

(1)在原料方面,合成气相法白炭黑的原料非常简单,一类是卤硅烷(SiCl4和CH3SiCl3)和可燃气体(氢气和氧气(空气)),有效防止其他物质带入产品。

(2)在工艺方面,卤硅烷是先汽化后进入反应器,水解反应的温度也在2000℃左右,然后聚集,分离,脱酸等工艺都在高温下完成,整个流程是在一个连续、密封的系统完成,保证产品不受外界影响和污染。

(3)整个生产装置各个关键环节都采用耐高温、耐酸碱腐蚀材料,可避免在生产过程中其他污染源进入产品。

      气相法白炭黑生产的原材料、生产工艺的特点,使得气相法白炭黑产品具有粒径小(原生粒径7-40nm)、比表面积大(100-400m2/g)、表面活性高(表面含有高活性Si-OH基团);在这种特殊的工艺下制备的气相法白炭黑产品也具有特殊三位枝状结构,产品孔隙率高。在外观上,气相法白炭黑表现为“烟雾”状的蓬松的白色超细粉末,所以具有fumed silica这一英文名字。

三、气相二氧化硅的结构及性能:

那么气相二氧化硅到底有哪些独特的结构和性能呢?

(1)独特的“三维枝状”结构

       气相二氧化硅在生产过程中,首先是卤硅烷水解缩合成单个的二氧化硅微粒,然后逐渐长大成7-40纳米的球形颗粒,该颗粒称作二氧化硅的“原生粒子”(Primary Particle)。

    “原生粒子”在反应炉内随着火焰方向继续向前运动,粒子之间相互碰撞,此时由于反应炉内温度还比较高,粒子还接近于熔融状态,粒子碰撞后熔接在一起,形成由多个球状粒子熔接在一起的三维枝状结构的粒子,称为二氧化硅的“聚集体”(Aggregate Particle)。由于聚集体中的粒子是相互熔接在一起的,因此是稳定的结构,几乎不可能分开的。

       二氧化硅“聚集体”在管道内随着气流继续向前运动、碰撞,然后相互连接在一起,形成絮状的蓬松的粉体,称作二氧化硅的“附聚体”(Agglomerate Particle)。由于此时管道内的温度较低,“聚集体”之间的连接只是通过物理吸附连接在一起,是一种不稳定的结构,在一定的机械力下,是可分开的(可分散的)。


     图2是气相二氧化硅的透射电镜照片;图3是沉淀法二氧化硅的透射电镜照片。从照片中可以看出二者之间的分散状态时有明显的区别,正是由于气相二氧化硅在体系中分散后,可以形成“近乎完美”的纳米粒子三维网络结构,使得它具有优异的补强、增稠、触变、防沉降、防流挂等性能。

(2)表面活性高

      气相二氧化硅在高温水解缩合过程中,表面还残留有部分硅羟基(Si-OH),表面硅羟基的存在,使得气相二氧化硅的表面极性较强,表面活性较高。

       从图中可以看出,气相二氧化硅表面存在“硅氧基”和“硅羟基”,其中的硅羟基具有较高的活性,可以形成氢键,或者与其它基团反应,这也保证了二氧化硅粒子之间能形成稳定的网络,同时与其它介质之间具有良好地相互作用,使得二氧化硅呈现出良好的增强、增韧;增稠触变以及防沉降等性能。

       另外,硅羟基的存在,也为气相二氧化硅的表面修饰提供可能,选择不同结构的表面改性剂与硅羟基进行反应,把一些功能性基团接枝到气相二氧化硅表面,从而使得气相二氧化硅的功能更加多样化。

(3)粒径小,比表面积大

       气相二氧化硅的“原生粒径”为7-40nm,这是一个什么概念呢?我们可以从下面这个表中的数据对比来理解。如果我们把一个气相二氧化硅粒子放大到一个标准足球那么大,需要放大3千万倍左右;如果按等比例,把足球放大3千万倍左右,那它将变得跟火星差不多大。

      气相二氧化硅的粒径小,使得它的比表面积非常大,通常气相二氧化硅的比表面为100-400m2/g。通常我们一套150m2的房子,其室内面积也就120m2左右,即使用目前市场通用最低比表面积的气相二氧化硅产品(如HL-150),不到1g,其比表面积就可以覆盖整个房子室内面积!而如果像比表面积高的产品(如HL-380),仅18.8g产品,其比表面积就相当于一个标准足球场的面积那么大!正是由于气相二氧化硅粒径小、比表面积大的特性,使得它具有良好的吸附性能,可广泛应用于催化剂、食品、医药、保温材料等领域,起着吸附、防结块、隔热等功能。

四、气相二氧化硅的应用:

       气相法白炭黑是无定形态,纯度高(SiO2%≥99.8%),表面活性硅羟基的存在,以及气相法白炭黑堆积密度低,流动性好的特点,为气相法白炭黑实现干法表面改性成为可能,可以在不破坏气相法白炭黑特殊结构的情况下实现表面改性,通过选择不同结构和功能的表面改性剂对其改性,可以获得不同功能产品,从而实现气相法白炭黑的功能化。

       气相法白炭黑这一系列独特结构和性能,使得它在实际应用中体现出优异的补强、增稠、触变、防沉、抗流挂、吸附、隔热等功能,在橡胶、塑料、涂胶、胶粘剂、工业催化、食品、医药、CMP、隔热保温材料等几十个领域有着广泛的应用,使气相法白炭黑真正成为二氧化硅中的“白富美”和市场的“宠儿”。


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