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苏学军，郑典模
摘要：综述了纳米SiO2 的奇异性能及其在各个领域的应用，指出了纳米SiO2 的发展趋势。
关键词：纳米；SiO2；特性；应用
1 前言
纳米SiO2 是纳米材料中的一员，具有特殊的结构层次，通常只有在高倍电子显微镜下才能观察到其颗粒形态。由于纳米SiO2 的量子尺寸、量子隧道效应和它的特殊光、电特性、高磁阻现象，非线性电阻现象以及高温下仍具有的高强、高韧、稳定性好等奇异特性，使纳米SiO2 可广泛应用于许多领域，几乎涉及所有应用SiO2粉体的行业。据报道，原先必须用SiO2 粉体材料作为添加剂的制品，在不改变原工艺流程的同时而改用纳米SiO2 作添料，其制品的各项功能、性能指标都会大幅提高。
我国对纳米材料的研究起步比较迟，直到“八五计划”将“纳米材料”列入重大基础项目之后，这方面的研究才迅速开展起来，并取得了令人瞩目的成果。1996 年底，由中科院固体物理研究所与舟山普陀升兴公司合作，成功开发出纳米材料家庭的重要一员——纳米SiO2，从而使我国成为继美、英、日、德国之后，国际上第五个能批量生产此产品的国家。纳米SiO2 的批量生产为其研究开发提供了坚实的基础。目前，我国的科技工作者正积极投身于这种新材料的开发应用。
2 纳米SiO2 的基本特性
纳米SiO2 是无定形白色粉末（指其团聚体），微粒结构非常特殊，表现出奇异或反常的物理化学特性，具有卓越的光、力、电、热、磁、放射、吸收等特殊性能。颗粒表面存在不饱和的残键及不同键合状态的羟基，具分子状态呈三维链状结构（或称三维网状结构、三维硅石结构等）。纳米SiO2 的各项技术指标如表1 所示。
注：表中S - SiO2 是一种球状粒子；P - SiO2是一种多孔状粒子纳米SiO2 的杂质含量( %)：Fe ≤0. 001，Ca≤0. 015，Sn ≤0. 015，Al ≤0. 002，Mg ≤0. 001，Ti≤0. 010，Cu ≤0. 003，Cl ≤0. 028 。
3 应用
3. 1 在橡胶改性中的应用
常规的SiO2 用作橡胶补强剂时，在橡胶中以二次聚集体的形态存在，因而不能充分发挥其补强橡胶的功能。如改用纳米SiO2 作添加剂，采用溶胶- 凝胶技术，既可改善其在橡胶中的分散程度而赋予橡胶优越的力学性能，同时还可以根据需要进行控制和人工设计具有特殊性能的新型橡胶，如通过控制纳米SiO2 的颗粒尺寸，可以制备对不同波段光敏感性不同的橡胶，既可作为抗紫外辐射的橡胶，又可作为红外反射橡胶或利用它的高介电性能制成绝缘性能好的橡胶。另外，还可利用纳米SiO2 改性轮胎侧面胶，生产彩色轮胎。
3. 2 在涂料中的应用
纳米SiO2 具有常规SiO2 所不具有的特殊光学性能，它具有极强的紫外吸收，红外反射特性。经分光光度仪测试表明，它对波长400nm 以内的紫外光吸收率高达70 %以上，对波长400nm以内的红外光反射率也达70 %以上。它添加到涂料中能对涂料形成屏蔽作用，达到抗紫外老化和热老化的目的，同时增加了涂料的隔热性。徐国财等，通过纳米微粒填充法，将纳米SiO2 作掺杂到紫外光固化涂料中，明显地提高了紫外光固化涂料的硬度和附着力，还减弱了紫外光固化涂料吸收UV 辐射的程度，从而降低了紫外光固化涂料的固化速度。
纳米SiO2 具有三维网状结构，拥有庞大的比表面积，表现出极大的活性，能在涂料干燥时形成网状结构，同时增加了涂料的强度和光洁度，而且还提高了颜料的悬浮性，能保持涂料的颜色长期不变。在建筑内外墙涂料中，若添加纳米SiO2，可明显改善涂料的开罐效果，涂料不分层，具有触变性、防流挂、施工性能良好，尤其是抗沾污性能大大提高，具有优良的自清洁能力和附着力。纳米SiO2 还可与有机颜料配用，可获得光致变色涂料。
3. 3 在塑料工程中的应用
将纳米SiO2 作为添加剂添加到塑料中，不仅起到常规SiO2 所起的补强效果，而且还可使塑料具有许多新的特性。将纳米SiO2 用于对光学塑料（如PS、PMMA、JD 树脂等）的表面改性，即可在塑料表面形成硬涂层，改善了塑料表面的耐磨性和抗划伤性。如日本板硝子公司利用PLD 法在塑料表面形成附着力强的致密纳米SiO2 薄膜，从而获得改善耐候性、耐药品性、耐磨性、赋予防污性、提高无机物质的附着性等的效果。纳米SiO2 若用于半透明塑料薄膜，可提高薄膜的透明度、强度和韧性、防水性能也大大提高，这类薄膜可以作为特殊用途的高级薄膜。美国的实验结果表明,常规PVC 薄膜的透水性比添加纳米材料的高1. 5 倍。
通用塑料具有产量大、应用广、价格低等特点。在通用塑料中，若加入纳米粒子能使其达到工程塑料的性能。如将纳米SiO2 加入聚丙烯中，其强度可与工程塑料尼龙6 媲美。原以尼龙材料制作铁轨配件，寿命为1～1. 5 年，后在PP中加入3 %的纳米SiO2，不仅成本下降了很多，而且综合性能有了较大的提高，寿命可延长5年。
3. 4 在粘结剂和密封胶中的应用
密封胶和粘结剂是量大、面广、使用范围宽的重要产品。产品粘度、流动性、固化速度有严格要求。目前，国内高档的密封胶和粘结剂都依赖进口。有介绍，国外在这个领域的产品已经采用纳米材料作添加剂，而纳米SiO2 是道选材料。其作用机理是在纳米SiO2 表面包敷一层有机材料，使之具有亲水特性，将它添加到密封胶中能很快形成一种硅石结构，即纳米SiO2 形成网络结构，抑制胶体流动，固化速率加快，提高粘接效果，同时由于颗粒小更增加了胶的密封性。
3. 5 在陶瓷制品中的应用
陶瓷是具有高抗压强度、耐蚀耐热、绝缘性好的化学建材，其缺点是质脆，需要高温烧制。我国虽是世界陶瓷大国，但由于传统制陶工艺一直没有较好的改进，造成产品质量、档次一直上不去。如今，研究者们在陶瓷制品中添加适量的纳米SiO2，大大降低了陶瓷制品的脆性，使其韧性提高几倍甚至几十倍，光洁度也明显提高，还使陶瓷能在较低的温度下烧制。
3. 6 在纺织行业中的应用
随着科学技术的发展和人类生活水平的提高，人们对服装提出了舒适、新颖、保健的要求，各种功能化的纺织品应运而生。在此，纳米SiO2发挥了巨大的作用。目前，人们已将其应用于防紫外、远红外、抗菌消臭、抗老化等方面。例如，以纳米SiO2 和纳米TiO2 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。又如，日本帝人公司将纳米SiO2 和纳米ZnO 混入化学纤维中，得到的化学纤维具有除臭及净化空气的功能。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、睡衣等。
3. 7 在生物医学工程中的应用
3. 7. 1 生物工程
生物工程中最常见的重要技术之一是生物细胞分离技术，它关系到研究所需要的细胞标本能不能快速获得的关键问题。以往的细胞分离技术主要采用离心法，利用密度梯度原理进行分离，时间长，效果差。80 年代初，人们开始利用纳米微粒实现细胞分离，建立用纳米SiO2 微粒进行细胞分离的新技术。该法主要是先制备纳米SiO2 微粒（15 - 20nm)；再将其表面包覆单分子层（包覆层的选择主要根据所要分离的细胞种类而定）；然后制取含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液；接着将纳米SiO2 包覆粒子均匀分开到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液中；再通过离心技术,利用密度梯度原理，将所需要的细胞分离出来。此法的优点是易形成密度梯度，实现纳米SiO2 粒子与细胞的快速分离，而且纳米SiO2 粒子一般不会与胶体溶液和生物溶液反应，也不会污染生物细胞。
3. 7. 2 医学工程
纳米SiO2 具有高吸收性、分散性、增稠性，在药物制剂中得到了广泛的应用。如在雷尼替丁、甲晴米胺、哌仑西平等药物中，加入少量的纳米SiO2 可改变其流动性；加入少量的纳米SiO2于灰黄霉素中，可改变其溶解速度，即改变难溶药物在水中的分散性和吸收性；加入少量的纳米SiO2 于含有阿司匹林的药粉中，会改变药粉的抗静电性。另外，医学工程中，用各种纳米粒子注入人体的各个部位，可检查诊断病变和治疗。如用纳米SiO2 微粒可进行定位病变治疗。
3. 8 在光学领域中的应用
纳米材料合成的单层薄膜和多层薄膜主要用来作为红外线反射材料。纳米微粒的膜材料在灯泡工业中有着良好的应用前景。80 年代以来，人们用纳米SiO2 和TiO2 制成多层干涉膜，衬在灯泡罩的内壁，结果不但透光率好，而且有很强的红外反射能力，有这种多层膜的灯泡可节电13. 15 %。
纳米微粒作为光纤材料可以大大降低光导纤维传输损耗。高纯度的纳米SiO2 作为光导纤维，对波长大于600nm 的光的传输损耗小于10db/ km，此值比以常规SiO2 材料的光传输损耗小许多倍。
3. 9 在杀菌剂中的应用
纳米SiO2 具有生理惰性、高吸附性,在杀菌剂的制备中常用作载体。当纳米SiO2 作载体时,可吸附抗菌离子，达到杀菌抗菌的目的，有报道产品可用于冰箱外壳、电脑键盘等的制造。
3. 10 在树脂基复合材料改性中的应用
3. 10. 1 不饱和聚酯树脂改性
树脂基复合材料虽有轻质、高强、耐腐蚀等优点，但也有其不足之处。如树脂基本身硬度低，莫氏硬度一般只有2 级左右（相当于石膏的硬度），耐磨性也较差。若添加纳米SiO2 于树脂材料中，可大大改善其各项性能。据报道，添加纳米SiO2 于不饱和聚酯树脂中，所得材料的莫氏硬度可接近天然大理石硬度（3 级），抗拉强度提高1 倍以上，耐磨性也可提高1～2 倍，而且表面光洁度好，耐水性、耐热性都有了较大的改善。
3. 10. 2 环氧树脂复合材料改性
环氧树脂具有良好的机械、电气、粘结性、化学稳定性等性能，使其在粘合剂、电气绝缘材料和复合材料等方面有着重要的应用。但是，环氧树脂******的弱点是固化物的脆性大，传统的增韧方法可使材料强度成倍提高，却不可避免地使材料的其它性能有所下降。纳米技术的兴起，为这种材料的改性迎来了新的革命。刘竟超等，将纳米SiO2 粒子添加到环氧树脂中，实验结果表明：适量的纳米SiO2 可使复合材料的冲击强度、断裂伸长率有较大的提高，同时改善了材料的耐热性。
3. 10. 3 聚丙烯树脂改性
在聚丙烯树脂中添加2 %～5 %的纳米SiO2制成聚丙烯产品，其强度和韧性明显提高，具有良好的低温冲击性能，且尺寸稳定，加工性能改善，有较好的表面光洁度，适合于制作汽车车身防护板、保险杠和设备仪表组件等，可代替尼龙改性聚苯醚和塑料合金等高级材料，从而降低汽车生产成本。
3. 11 有机玻璃改性
飞机的窗口材料常规用的是有机玻璃( PM2MA) ，飞机在高空飞行，窗口材料经紫外线辐射易老化，造成透明度下降。为解决这一问题，在有机玻璃生产时，加入表面修饰的纳米SiO2 可以抗紫外线辐射而达到抗老化的目的。这主要利用纳米SiO2 的透明性和对紫外线的吸收特性。
3. 12 在人造牙齿中的应用
人造牙齿是一种仿生材料，通常要求该材料要具有耐蚀、高硬、高韧等综合性能，纳米SiO2是改善这些性能的重要原料之一。据报道，Hi2roshima 大学用纳米SiO2 颗料填充模型来研究牙科复合树脂的断面机械性能，将聚氨基甲酸酯单体和60 %双甲基丙烯酸缩水甘油酯，40 %四甘醇二甲基丙烯酸酯组成的二元体系，在可见光的条件下混合成型。结果发现材料的屈服应力随着体系中填充物料SiO2 颗粒含量的增加而提高，其拉伸断裂应力数值为110～380MPA (SiO2颗粒在1～10nm) 。当SiO2 颗1～5nm 时，这个数值约为180～950MPA，因而大大地提高了人造牙齿的硬度及强度，也改善了其韧性。
3. 13 纳米SiO2 降低阻透汽车油箱生产成本
降低汽车油箱泄漏的一种方法是将纳米SiO2 涂复在单层HDPE 汽车油箱的表面上，其阻透性比共挤汽车油箱要好。研究者们已发现使用纳米SiO2 和HDPE 表面层粘合的方法，在5L 瓶子的外层涂复18μm 厚的纳米SiO2，其阻透性可达到共挤瓶阻透性的99 %，在瓶子的内外层涂复25～30μm 厚的纳米SiO2，其阻透性比共挤瓶要好。采用涂复纳米SiO2 涂层的方法可提高HDPE 汽车油箱的阻透性，与Shell 公司的Carilon 汽车油箱相比，阻透性较好，成本更低。
3. 14 在催化剂和催化剂载体方面的应用
纳米SiO2 的比表面积大、孔隙率高、表面活性中心多，在催化剂和催化剂载体方面具有潜在的应用价值。以纳米SiO2 为基本原料，采用溶胶- 凝胶技术，可制得含纳米SiO2 的复合氧化物。此复合氧化物为催化剂载体时，对于许多结构敏感反应，将显示出独特的反应性能。反应的催化活性高，选择性好，反应中能长时间保持催化活性。Quan Zhang 等以ZrO2/ SiO2 为催化剂载体，用来催化异丙醇脱水，研究结果表明：反应副产物少，催化效率高，在******条件下，其选择性可达100 %。目前，常规SiO2 (20～100μm) 用作催化剂载体实现工业化生产的报道较多，但纳米SiO2 在此领域实现大规模生产的报道并不多见，应积极开展这方面的研究。
3. 15 在农业及食品行业中的应用
近来，发达国家开发了纳米SiO2 的一些新的应用领域。如在农业中，应用纳米SiO2 制作农业种子处理剂，可使蔬菜（甘蓝、西红柿、黄瓜）棉花、玉米、小麦提高产量，提前成熟期。又如纳米SiO2 还可应用于除草剂和杀虫剂中，若在颗粒状的杀虫剂配方中，加入少量纳米SiO2 会有效地控制和防止有害物产生。
在食品行业中，纳米SiO2 也有许多应用之处。如添加纳米SiO2 的食品包装袋，对水果、蔬菜可起到保鲜作用；应用纳米SiO2 于酒类生产中可起到净化和延长保鲜期的作用；还可用作防治水果、蔬菜各种疾病的高效杀菌剂。
3. 16 其它方面的应用
纳米SiO2 可用于木材中，所制得的复合材料，既能保持木材的原始细胞结构，外观及可加工性,又能使木材的使用性得到改善。纳米SiO2 的透明度好，作为瓷土的重要原料不但可以使涂层变得更加致密，而且使表面变得更加光滑。
纳米SiO2 可用于油墨中作为分散剂和流量控制剂；可用于封装材料中改善封装材料的性能；还可以作为人造莫来石的重要材料。在护肤产品、电子组装材料、隔热材料、传感材料等方面都有着重要的应用,甚至能节约能源、保护环境。
4 结语
除上述所列应用领域外,纳米SiO2 在机械、通讯、激光、军事等领域中还具有广阔的应用前景。纳米SiO2 作为纳米材料家族中的一员，对其开发具有重要的实际意义。我国纳米材料的研究已取得许多成果,但纳米SiO2 的应用才刚刚起步，相信在不远的将来,纳米SiO2 会进一步工业化，并广泛应用于各个领域。
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