纳米二氧化硅

纳米二氧化硅(SiO2)

专业:生物医学工程 班级:3053 姓名:宋攀婷 学号:3113037013 摘要

纳米Si02,呈三维网状结构,表面存在大量的不饱和残键和不同状态的羟基,这使得纳米二氧化硅表面能高,处于热力学非稳定状态,具有很高的化学活性。它能够广泛应用于橡胶、塑料、电子、陶瓷、涂料、石膏、蓄电池、颜料、化妆品、有机玻璃、环保等诸多领域,并为相关领域的工业发展提供了新材料基础和技术保证。目前制备纳米Si02的方法主要是物理法和化学法,物理法一般是指机械粉碎法,化学法主要包括气相沉积法、溶胶凝胶法、沉淀法。最近科学家研究了纳米Si02制备的新途径,比如Yan等将稻壳灰和K2CO3 粉末以一定的比例混合,通过一系列的化学反应制备出活性炭,再利用制得活性炭后得到的虑液,在通入CO2 的条件下制得粒径为40~ 50 nm的纳米二氧化硅颗粒;姜延鹏等利用温石棉尾矿活化产物制备的纳米SiO2 颗粒呈规则球状,分布均匀,质量分数达99%,为无定形二氧化硅,同时纳米SiO2 转化率达77%以上。纳米Si02有广泛的用途,比如可用作电子封装材料、树脂复合材料、塑料、橡胶、陶瓷材料。在光学领域也有一定的应用。最近研究以二甲基二乙氧基硅烷为硅源在水溶液中成功制备了Si02修饰纳米ZrO2颗粒,纳米二氧化硅对水泥水化热有一定的影响。近年来,随着绿色能源和环保材料的发展,科研人员发现水稻是一个纳米硅的生物制造器。目前,从水稻中提取纳米二氧化硅研究较多的是从稻壳中提取,纳米Si02对体外培养HaCaT细胞凋亡也有一定的影响。纳米SiO2是一种正在规模化生产的纳米材料,无定型纳米SiO2因其吸入和口服对生命体不会造成直接的危害被认为是生物安全的纳米材料,已被广泛用于疾病诊断、生物分析和成像、药物载体等的研究中,导致其进入人体的方式日益增多,因此它对人体健康影响的研究对于其作为生物材料真正实现广泛应用尤为重要。

关键字:纳米材料,纳米二氧化硅,水泥水化

正文:

纳米二氧化硅是纳米固体中的重要一员,呈三维网状结构,表面存在大量的不饱和残键和不同状态的羟基,这使得纳米二氧化硅表面能高,处于热力学非稳定状态[1],具有很高的化学活性[2],因其粒径很小,比表面积大,表面吸附能力强,化学纯度高,分散性能高,热阻,电阻等方面具有特异的功能,以其优越的稳定性和增稠性,有着不可替代的作用。它的俗称为“超微细白炭黑”作为添加剂,石油化工,脱色剂,消光剂,塑料充填剂及金属软性磨光剂,广泛应用于橡胶、塑料、电子、陶瓷、涂料[3]、石膏、蓄电池、颜料、化妆品、有机玻璃、环保等诸多领域,并为相关领域的工业发展提供了新材料基础和技术保证, 目前纳米SiO2的制备方法主要分为物理法和化学法。物理法一般是指机械粉碎法,利用超级气流粉碎机或高能球磨机等将Si02的聚集体粉碎,产品粒度一般能达到1~5?m。物理法工艺简单,但粉碎设备一般需要较大动力,能耗大,并且产品易受污染易带人杂质,粉料特性难以控制,制粉效率低且粒径分布较宽。化学法可制得纯净且粒径分布均匀的超细Si02颗粒,其主要包括气相沉积法、溶胶凝胶法、化学沉淀法。

气相沉淀法[4]是指直接利用气体或将物质变成气体,使之在气体状态下发生物理、化学变化,在冷却过程中凝聚长大形成纳米颗粒。该法优点是产品纯度高、分散性好、粒径小且呈球形,表面羟基少,因而具有优异的补强性能,缺点是原料贵,能耗高,技术复杂,设

备要求高,且产量小。最近有科学家用四氯化硅、空气、氢气的混合气体为原料,调整混合气体的初始温度,反应后产物经酒精过滤,洗涤即得到20~30nm的球形纳米Si02,且分散良好。

溶胶一凝胶法[5]是将硅酸酯与无水乙醇按一定比例制备成均匀的混合液,在搅拌状态下缓慢加入去离子水并调节溶液的pH值,再加入合适的表面活性剂搅拌均匀,将所得溶液在室温下陈化制得凝胶,然后在马弗炉中高温锻烧,再干燥即得到纳米级Si02粉体。该法的优点是可在温和的反应条件下进行,纯度高,具有很大的比表面积,更易在溶液中取得良好的分散、悬浮性能,活性较大。缺点是凝胶干燥过程中,由于溶剂、水分的挥发导致材料的收缩,必须进行后处理才能得到纳米粒子,且制备的颗粒较大。科学家利用溶胶一凝胶法制备的纳米Si02添加到紫外光固化丙烯酸酯,结果显示加入纳米si02的薄膜的玻璃化温度明显增高,膨胀系数降低。

化学沉淀法[6]即采用水玻璃和无机酸(盐酸或硫酸)为原料,在制备过程中添加适宜的表面活性剂,在适宜的酸值和温度下沉淀合成,采用适当技术进行干燥,在适宜的温度下煅烧即可制备出纳米Si02。该法的优点是过程简单,制备的产品粒径小、比表面积大、纯度高、具有蜂窝状多孔结构,是一种较为实用的方法。

最近科学家研究了纳米Si02制备的新途径:Yan[7]等将稻壳灰和K2CO3 粉末以一定的比例混合,通过一系列的化学反应制备出活性炭,再利用制得活性炭后得到的虑液,在通入CO2 的条件下制得粒径为40 ~ 50 nm的纳米二氧化硅颗粒;姜延鹏[8]等利用温石棉尾矿活化产物制备的纳米SiO2 颗粒呈规则球状,粒径大小为50 nm左右,分布均匀,质量分数达99%,为无定形二氧化硅,同时纳米SiO2 转化率达77%以上。

下面介绍一下纳米Si02的几种用途:

1、 纳米Si02可用作电子封装材料:将经表面活化处理的纳米Si02充分分散在

有机硅改性环氧树脂[9]封装胶基质中,可以大幅度地修改封装材料固化时间

(2.0-2.5h),且固化温度可降至室温,使OELD器件密封性能大幅度提高,

增加OELD器件的使用寿命。

2、 纳米Si02可用作树脂复合材料:将纳米Si02充分且均匀的分散到树脂材料

中,能够改善树脂基材料的性能。提高树脂材料的强度和延伸度;提高耐磨

性和表面的光洁度;抗老化性能。

3、 塑料领域应用:利用纳米Si02透光、粒度小的特性,可以使塑料变得更加紧

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、强度、韧

性,而且防水性能和抗老化性能也明显提高。通过在普通塑料聚苯乙烯中添

加少量纳米Si02后生产出的塑钢门窗硬度、光洁度和抗氧化性能均大幅度提

高。

4、 橡胶领域应用[10]:在橡胶中添加少量纳米Si02后,产品的强度、耐磨性和

抗氧化性能均达到或超过高档橡胶制品,而且可以保持颜色长久不变。

5、 陶瓷[11]:用纳米Si02代替纳米Al2O3添加到95瓷里,既可以起到纳米颗

粒的作用,同时它又是第二相的颗粒,不但提高陶瓷材料的强度、韧性,而

且提高了材料的硬度和弹性模量等性能,其效果比添加Al2O3更理想。

6、 纺织领域应用:以纳米Si02和纳米Ti02的适当配比而成的复合粉体是抗紫

外辐射纤维的重要添加剂。将纳米Si02和纳米Ti02混入化学纤维中,得到

的化学纤维具有除臭及净化空气的作用。这种纤维可被用于制造长期卧床病

人和医院的消臭敷料、绷带以及睡衣等。

7、 光学领域作用:将纳米Si02和纳米TiO2微粒制成多层干涉膜,总厚度为微

米级,衬在灯泡罩的内壁,结果不但透光率好,而且有很强的红外线反射能

力,专家预算同等灯光亮度下,该种灯具和 传统的卤素灯相比,可节约15%的电能。

最近研究以二甲基二乙氧基硅烷为硅源在水溶液中成功制备了Si02修饰纳米ZrO2颗粒[12],利用透射电子显微镜、热重分析仪、X射线衍射仪红外光谱仪分析了样品的形貌和结构。研究发现Si02不影响ZrO2的晶型,引入Si02使得ZrO22晶粒细化尺寸均匀性提高,Si02/ZrO2/Al2O3陶瓷气孔率小具有致密的显微结构和优异的机械性能。Manca et al.报道了功能化二氧化硅纳米粒子的用途及溶胶-凝胶法在玻璃基板上制作耐久的自清洗且抗反射的涂层。纳米二氧化硅对水泥水化[13]热有一定的影响,Said发现掺有纳米二氧化硅的混凝土比不加纳米二氧化硅的混凝土[14]硬化峰值温度提高了20%,且峰值温度提前4 h达到,即纳米二氧化硅加速了水化作用。Min-Hong研究了纳米二氧化硅( 占混合物总量1%) 对掺有大量的矿渣粉煤灰的混凝土凝结时间的影响,发现纳米二氧化硅缩短了粉煤灰混凝土和矿渣混凝土的休眠期期,使第二峰,第三峰都提前达到,加速了放热速率,并且效果比硅灰更显著。这是因为纳米二氧化硅的加入加速了硅酸钙的水化,在水化开始期间减少了钙,氢的浓度,致使水化转化率增加。

近年来,随着绿色能源和环保材料的发展,科研人员发现水稻是一个纳米硅的生物制造器。目前,从水稻中提取纳米二氧化硅研究较多的是从稻壳中提取[15-16],研究中发现,稻秸表面高的硅含量对材料的界面结合性能的存在不利影响,成为稻秸人造板工业发展的瓶颈,南京林业大学利用扫描电镜一能谱仪(SEM—EDXA)研究稻秸表面硅元素的超微结构及组成,并以稻秸为原料制备纳米二氧化硅[17],稻秸纤维中提取的二氧化硅颗粒得率为8.34%~9.28%。纳米二氧化硅较为合适的热解工艺为热解温度575℃,保留时间2 h,并经高能球磨机球磨,时间为10min。

纳米Si02对体外培养HaCaT细胞凋亡[18]也有一定的影响,由于纳米Si02对人类的暴露途径主要为呼吸道、皮肤及注射,相关人员采用HaCaT细胞暴露于不同粒径及不同浓度的纳米Si02溶液,探讨纳米Si02暴露对HaCaT细胞增殖及细胞凋亡的影响及其与ROS的关系,为纳米Si02皮肤暴露的安全性评价提供了依据。

纳米SiO2是一种正在规模化生产的纳米材料,无定型纳米SiO2因其吸入和口服对生命体不会造成直接的危害被认为是生物安全的纳米材料,已被广泛用于疾病诊断、生物分析和成像、药物载体等的研究中[19],导致其进入人体的方式日益增多,因此它对人体健康影响的研究对于其作为生物材料真正实现广泛应用尤为重要。中国科学院采用肼化学方法为基础的定量蛋白质组学对无定型纳米SiO2进入人肺癌细胞后产生的影响进行了分析[20],结果表明其进入细胞后,导致细胞内的平衡状态发生变化,从而影响了细胞内许多重要的蛋白质的表达水平。部分跨膜蛋白质表达的变化对纳米SiO2进入细胞的途径的阐明有一定的指导意义。

目前,常见的药物载体有脂质体、高分子聚合物、金纳米颗粒(Au)、介孔二氧化硅(MSN)、量子点(QD)等. 近年来,无机纳米粒子因其具有光、电、磁等独特性质、尺寸形貌可控性好、比表面积大等一系列优点,引起了人们的广泛关注. 其中,介孔二氧化硅由于具有有序且连续可调的介孔结构、大的比表面积、优良的生物相容性及表面功能基团易于被修饰等特性,更是成为药物输送体系研究的热点[21-26]。 参考文献:

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