納米二氧化硅的制備與復(fù)合材料【畢業(yè)論文】

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　納米二氧化硅的制備與復(fù)合材料</p><p><b>　　專業(yè)：應(yīng)用化學(xué)</b></p><p>　　摘要：本文研究了納米二氧化硅的制備以及復(fù)合材料的性質(zhì)

2、。以氯化鈉為反應(yīng)介質(zhì),使用不同濃度的硅酸鈉和硫酸分別在PH=9，PH=6和PH=3條件下進(jìn)行反應(yīng)，生成水合二氧化硅,經(jīng)過濾、洗滌，干燥制得納米二氧化硅微粒，把所制備納米二氧化硅微粒加入的聚乙烯中壓制成型以制備聚乙烯復(fù)合材料，用萬(wàn)能電子拉力機(jī)來(lái)測(cè)試摻雜不同含量納米二氧化硅的聚乙烯的拉伸強(qiáng)度。對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明：隨著納米二氧化硅含量的增加，聚乙烯的拉伸強(qiáng)度先有低到高，再降低。</p><p>　　

3、關(guān)鍵詞：納米二氧化硅;制備;復(fù)合材料;性能</p><p>　　Preparation of nano-silica composite materials</p><p>　　Abstract: In this paper, the preparation of nano-silica and the nature of composite materials were studied.

4、 With NaCl as the reaction medium, the nano-silica particles were prepared through the reaction of of sodium silicate and sulfuric acid at different concentrations and at pH=9, pH=6, and pH=3. Hdrated silica were dryed i

5、nto nano-silica particles by washing and filtration. Polyethylene composites were prepared by adding the nano-silica particles into the polyethylene matrix. The universal el</p><p>　　Key words: Nano-silica;

6、Preparation; Composite; materials; Performance</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1緒論1</b></p><p>　　1.1納米科學(xué)與納米材料1</p><p>　　1.1.1納米二氧化硅的表面效應(yīng)1<

7、;/p><p>　　1.1.2納米二氧化硅的體積效應(yīng)1</p><p>　　1.2納米二氧化硅的用途與制備方法2</p><p>　　1.3納米二氧化硅的性質(zhì)2</p><p>　　1.3.1基本物性2</p><p>　　1.3.2光學(xué)特性2</p><p>　　1.3.3納米二氧化硅的

8、應(yīng)用領(lǐng)域3</p><p>　　1.3.4納米二氧化硅對(duì)復(fù)合材料的影響4</p><p>　　1.4常用的制備納米二氧化硅的方法4</p><p>　　1.4.1氣相法4</p><p>　　1.4.2沉淀法4</p><p>　　1.4.3微乳液反應(yīng)法5</p><p>　　1.5

9、本課題選題的目的及意義5</p><p>　　1.6課題研究思路及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)5</p><p><b>　　2實(shí)驗(yàn)部分6</b></p><p>　　2.1儀器與試劑6</p><p>　　2.1.1試劑：6</p><p>　　2.1.2儀器：6</p><p>

10、;<b>　　2.2實(shí)驗(yàn)原理6</b></p><p>　　2.3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案6</p><p><b>　　2.4實(shí)驗(yàn)方法7</b></p><p><b>　　3結(jié)果與討論7</b></p><p>　　3.1偏硅酸鈉的濃度對(duì)納米二氧化硅產(chǎn)量的影響7</p&

11、gt;<p>　　3.2濃H2SO4溶液的濃度對(duì)納米二氧化硅產(chǎn)量的影響8</p><p>　　3.3較優(yōu)條件下納米二氧化硅的產(chǎn)率9</p><p>　　3.4紅外對(duì)制備的納米二氧化硅微粒的結(jié)構(gòu)表征10</p><p>　　3.5摻雜納米二氧化硅的聚乙烯復(fù)合材料的制備與性能研究10</p><p><b>　　4

12、結(jié)論與展望11</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)12</b></p><p>　　致謝錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　1緒論</b></p><p>　　1.1納米科學(xué)與納米材料</p><p>　　納米科學(xué)與納米材料納米科學(xué)是研

13、究0到100nm范圍內(nèi)物質(zhì)所特有的現(xiàn)象和功能的科學(xué)，是研究在十億分之一到千萬(wàn)分之一米內(nèi)，原子、分子和其他類型物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和變化的科學(xué)[1]。也就是說，幾十個(gè)原子、分子或成千個(gè)原子和分子“組合”在一起時(shí)，表現(xiàn)出既不同于單個(gè)原子、分子的性質(zhì)。有時(shí)這種組合被稱為“超分子”或“人工分子”，以區(qū)別于正常的原子和分子，這種“超分子”往往具有人們意想不到的性質(zhì)。在納米量級(jí)內(nèi)，物質(zhì)顆粒的尺寸己經(jīng)接近原子，這時(shí)量子效應(yīng)已開始影響到物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性能。由于納米

14、微粒的結(jié)構(gòu)獨(dú)特，因而由其構(gòu)成的納米材料具有傳統(tǒng)材料和器件所沒有的新的性能和功能。納米微粒的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，使其產(chǎn)生了表面效應(yīng)、體積效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)等，從而使納米材料表現(xiàn)表現(xiàn)出光、電、磁、吸附、催化以及生物活性等特殊性能。</p><p>　　狹義的納米技術(shù)是以納米材料科學(xué)為基礎(chǔ)制造新材料、新器件、研究新工藝的方法和手段。納米科學(xué)和技術(shù)有時(shí)稱為納米技術(shù)。納米科學(xué)和技術(shù)實(shí)際上就是研究一堆原子(團(tuán)簇)甚于單個(gè)原子或分子的一

15、門學(xué)科[2-4]。納米科技不是某一學(xué)科的延伸，也不是某一新工藝的產(chǎn)物，而是基礎(chǔ)物理學(xué)科與當(dāng)代高科技的結(jié)晶。它以物理學(xué)的微觀研究理論為基礎(chǔ)，以當(dāng)代精密儀器和先進(jìn)的分析技術(shù)為手段，是一個(gè)內(nèi)容廣泛的多學(xué)科群。納米材料是指由納米結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的任何類型的材料，如金屬、陶瓷、聚合物、半導(dǎo)體、玻璃和復(fù)合材料等，而這些材料的結(jié)構(gòu)單元，如納米粒子、納米層和碳納米管等，又是由原子和分子組成的。通過改變納米結(jié)構(gòu)單元的大小，控制內(nèi)部和表面的化學(xué)性質(zhì)，控制它們的

16、組合，就能設(shè)計(jì)材料的特性和功能。</p><p>　　1.1.1納米二氧化硅的表面效應(yīng)</p><p>　　粒子直徑減少到納米級(jí)，不僅引起表面原子數(shù)的迅速增加，而且納米粒子的比表面積、表面能都會(huì)迅速增加。這主要是因?yàn)樘幱诒砻娴脑訑?shù)較多，表面原子的晶體場(chǎng)環(huán)境和結(jié)合能與內(nèi)部原子不同所引起的。眾所周知，固體材料的表面原子與內(nèi)部原子所處的環(huán)境是不同的。當(dāng)材料粒徑遠(yuǎn)大于原子直徑時(shí)，表面原子可以忽略

17、；但當(dāng)粒徑逐漸接近于原子直徑時(shí)，表面原子的數(shù)目及其作用就不能忽略，而且這些晶粒的表面積、表面能和表面結(jié)合能等都發(fā)生了很大的變化，人們把由此引起的種種特異效應(yīng)統(tǒng)稱為表面效應(yīng)。</p><p>　　隨著納米材料粒徑的減小，表面原子數(shù)迅速增加。例如，當(dāng)粒徑為10nm時(shí)表面原子數(shù)為完整晶粒原子總數(shù)的20%；而粒徑為1nm時(shí)，其表面原子百分?jǐn)?shù)增大到99%，此時(shí)組成該納米晶粒的所有約30個(gè)原子幾乎全部集中在其表面。由于表面原

18、子周圍缺少相鄰的原子，有許多懸空鍵，具有不飽和性，易與其他原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來(lái)，故表現(xiàn)出很高的化學(xué)活性。隨著粒徑的減小，納米材料的表面積、表面能及表面結(jié)合能都迅速增大。</p><p>　　1.1.2納米二氧化硅的體積效應(yīng)</p><p>　　當(dāng)物質(zhì)的體積減小時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)兩種情況：一種是物質(zhì)本身的性質(zhì)不發(fā)生變化，而只有那些與體積密切相關(guān)的性質(zhì)發(fā)生變化，如半導(dǎo)體電子自由程變小，磁體的磁區(qū)變小

19、等；另一種是物質(zhì)本身的性質(zhì)也發(fā)生了變化，因?yàn)榧{米粒子是由有限個(gè)原子和分子組成，改變了原來(lái)由無(wú)數(shù)個(gè)原子或分子組成的集體屬性。當(dāng)納米材料的尺寸與傳導(dǎo)電子的德布羅意波的波長(zhǎng)相當(dāng)或更小時(shí)，周期性的邊界條件將被破壞，磁性、內(nèi)壓、光吸收、熱阻、化學(xué)活性、催化性及熔點(diǎn)等與普通晶粒相比都有很大的變化，這就是納米材料的體積效應(yīng)（也稱為小尺寸效應(yīng)）。這種特異效應(yīng)為納米材料的應(yīng)用開拓了廣闊的新領(lǐng)域，例如，隨著納米材料粒徑的變小，其熔點(diǎn)不斷降低，燒結(jié)溫度也顯著

20、下降，從而為粉末冶金工業(yè)提供了新工藝：利用等離子共振頻移隨晶粒尺寸變化的性質(zhì)，可通過改變晶粒尺寸來(lái)控制吸收波的位移，從而制造出具有一定頻寬的微吸收納米材料，用于電磁波屏蔽、隱形飛機(jī)等。</p><p>　　1.2納米二氧化硅的用途與制備方法</p><p>　　納米SiO2為無(wú)定型白色粉末，無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)污染，表面存在羥基和吸附水，具有粒徑小、純度高、密度低、比表面積大、分散性能好的特點(diǎn)，

21、以及優(yōu)越的穩(wěn)定性、補(bǔ)強(qiáng)性、觸變性和優(yōu)良的光學(xué)及機(jī)械性能，廣泛用于陶瓷、橡膠、塑料、涂料、顏料及催化劑載體等領(lǐng)域，對(duì)產(chǎn)品的升級(jí)具有重要意義。納米氧化鎂還可作為填料增強(qiáng)劑用于涂料、化妝品、橡膠和塑料。此外，近年來(lái)在生物、醫(yī)學(xué)方面也得到了應(yīng)用。</p><p>　　納米固體或納米微粒是指顆粒粒度屬于納米量級(jí)（1nm～100nm）的固態(tài)顆粒。納米SiO2固態(tài)顆粒主要是用人工方法合成的。方法可分為干法和濕法兩大類。干法包括

22、氣相法和電弧法，濕法有沉淀法和凝膠法。其中沉淀法生產(chǎn)流程簡(jiǎn)單，能耗低，是目前主要的制備方法。目前，制備納米SiO2的方法有很多，人們用等離子體法[5]、CVD[6]等方法已成功制備納米級(jí)SiO2玻璃粉或非晶薄膜，還有像沉淀法、溶膠-凝膠法、微乳液法、真空冷凝法等，都可以制得納米SiO2粉體。其中化學(xué)沉淀法制備過程簡(jiǎn)單，且對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求不高，能耗少，投資低。</p><p>　　1.3納米二氧化硅的性質(zhì)</p

23、><p><b>　　1.3.1基本物性</b></p><p>　　納米SiO2為無(wú)定型白色粉末，是一種無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)污染的無(wú)機(jī)非金屬材料。經(jīng)透射電子顯微鏡測(cè)試分析，這種材料明顯顯現(xiàn)出絮狀或網(wǎng)狀的準(zhǔn)顆粒結(jié)構(gòu)，顆粒尺寸小，比表面積大。工業(yè)用SiO2稱作白炭黑，是一種超威細(xì)粉體，質(zhì)輕，原始粒徑0.3微米以下，相對(duì)密度2.319～2.653，熔點(diǎn)1750℃，吸潮后形成聚合細(xì)顆

24、粒[7-8]。</p><p><b>　　1.3.2光學(xué)特性</b></p><p>　　納米二氧化硅微粒由于只有幾個(gè)納米到幾十個(gè)納米，因而，它所表現(xiàn)出來(lái)的小尺寸效應(yīng)和表面界面效應(yīng)使其具有與常規(guī)的塊體及粗顆粒材料不同的特殊光學(xué)特性。采用美國(guó)Varian公司Cary-5E分光光譜儀對(duì)納米二氧化硅抽樣測(cè)試表明，對(duì)波長(zhǎng)200～280nm紫外光短波段，反射率為70%～80%

25、；對(duì)波長(zhǎng)280～300nm的紫外中波段，反射率為80%以上；在波長(zhǎng)300～800nm之間，納米二氧化硅材料的光反射率達(dá)85%；對(duì)波長(zhǎng)在800～1300nm的近紅外光反射率也達(dá)70～80%。化學(xué)特性納米二氧化硅的體積效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)使其產(chǎn)生滲透作用，可深入到高分子化合物的π鍵附近，與其子云發(fā)生重疊，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而大幅度提高了高分子材料的力學(xué)強(qiáng)度、韌性、耐磨性和耐老化性等。因而，人們常利用納米二氧化硅的這些特殊結(jié)構(gòu)和性能對(duì)塑料及涂

26、料進(jìn)行改性或制備有機(jī)納米二氧化硅復(fù)合材料，提高有高分子材料的綜合性能。</p><p>　　1.3.3納米二氧化硅的應(yīng)用領(lǐng)域</p><p>　　在陶瓷制品中的應(yīng)用我國(guó)是世界陶瓷制品生產(chǎn)大國(guó)，但陶瓷制品的質(zhì)量、檔次一直上不去，這主要是由于陶瓷制品的脆性大、韌性差、光潔度低的緣故。如今，研究者們?cè)谔沾芍破分刑砑舆m量的納米SiO2，不但大大降低了陶瓷制品的脆性，而且使其韌性提高了幾倍甚至幾十倍

27、，光潔度亦明顯提高，還使陶瓷在較低溫度下燒制，從而使陶瓷制品檔次提高數(shù)級(jí)。</p><p>　　橡膠制品的作用，橡膠是二氧化硅應(yīng)用的傳統(tǒng)領(lǐng)域，其中鞋類制品用量最大。目前，隨著二氧化硅用量的增加，其應(yīng)用的制品種類也越來(lái)越多。</p><p>　?。?）制造膠輥。如用于復(fù)印機(jī)或激光打印機(jī)的半導(dǎo)電性膠輥，電子攝影機(jī)連續(xù)輸送膠片的膠輥，金屬芯硅橡膠輥。</p><p>　　

28、（2）制造輪胎。最大的應(yīng)用是制造綠色輪胎，如白炭黑補(bǔ)強(qiáng)順丁橡膠用于輪胎胎面，該胎面能在滾動(dòng)阻力和牽引性能、耐磨性之間達(dá)到較佳平衡，應(yīng)用于胎側(cè)膠增長(zhǎng)趨勢(shì)也較快，二氧化硅替代炭黑，能顯著增加胎側(cè)的撕裂強(qiáng)度和耐裂口增長(zhǎng)性能，而對(duì)焦燒及硫化時(shí)間無(wú)明顯影響，耐臭氧老化依賴于抗氧劑和二氧化硅用量。另外，還可利用納米SiO2改性輪胎側(cè)面膠生產(chǎn)彩色輪胎。</p><p>　?。?）用于補(bǔ)強(qiáng)硅橡膠制備薄膜、墊片。如采用濕法疏水二氧

29、化硅補(bǔ)強(qiáng)硅橡膠粘接膜，所制粘合膜用于玻璃、簾布及橡膠間的粘合，用于建筑材料的硅橡膠墊片耐污染性能好，將墊片附著于板上，此板在戶外一年后也無(wú)污跡出現(xiàn)。</p><p>　　塑料制品常規(guī)SiO2作為補(bǔ)強(qiáng)劑添加到塑料中，可提高塑料的使用性能，而納米SiO2的作用不僅是補(bǔ)強(qiáng)，它還具有許多新的性能，這主要是利用納米SiO2透光、可以使塑料變得更加致密。在聚苯乙烯塑料薄膜中添加納米SiO2后，不但提高了其透明度、強(qiáng)度、韌性，

30、而且在防水性能和抗老化性能方面也有明顯提高。用納米SiO2改性聚苯乙烯防水卷材，其性能指標(biāo)均達(dá)到或超過三元乙丙橡膠防水卷材；對(duì)聚丙烯添加納米SiO2改性后，其主要性能指標(biāo)（吸水率、絕緣電阻、壓縮殘余變形、撓曲強(qiáng)度等）均達(dá)到或超過工程塑料尼龍6，實(shí)現(xiàn)了聚丙烯鐵道配件替代尼龍6使用。</p><p>　　在涂料中的應(yīng)用納米SiO2具有極強(qiáng)的紫外和紅外反射特性，因此，它添加到涂料中能對(duì)涂料形成屏蔽作用，從而達(dá)到抗紫外老

31、化和熱老化的目的，同時(shí)，增加了涂料的隔熱性。另外，納米SiO2還具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，擁有龐大的比表面積，表現(xiàn)出極大的活性，能在涂料干燥時(shí)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不僅增加了涂料的強(qiáng)度和光潔度，而且還能保持涂料的顏色長(zhǎng)期不變。在建筑內(nèi)外墻涂料中，若添加納米SiO2，可明顯改善涂料的開罐效果，涂料不分層，具有觸變性、防流掛、施工性能良好，尤其是抗沾污性能大大提高，又有優(yōu)良的自清潔能力和附著力。</p><p>　　在噴墨打印紙中的

32、應(yīng)用二氧化硅還可以用于噴墨打印紙的涂覆材料。近幾年來(lái)，隨著集成電路、計(jì)算機(jī)、數(shù)字成像技術(shù)的飛速發(fā)展，彩色噴墨打印系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和市場(chǎng)迅速擴(kuò)大，各種彩色噴墨打印介質(zhì)，包括膠片和相紙已成為各行各業(yè)廣泛應(yīng)用的影像材料，并已進(jìn)入家庭。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2001年彩色打印紙的市場(chǎng)容量為1000萬(wàn)平方米。彩色噴墨打印出來(lái)的畫面要求色彩鮮艷、清晰度高，很關(guān)鍵的一個(gè)因素就是彩色噴墨打印紙的質(zhì)量，而彩色噴墨打印紙的質(zhì)量主要決定于其吸墨涂層的性能。吸墨涂層中的主

33、要成分一般是兩類：高分子樹脂和顏料顆粒。作為顏料顆粒，目前各國(guó)主要采用的是二氧化硅。這些二氧化硅的結(jié)構(gòu)和性能對(duì)吸墨涂層的質(zhì)量有決定性的影響。二氧化硅的作用是在涂層中形成含有大量微孔的網(wǎng)絡(luò)，對(duì)噴印的墨滴起吸附并固著作用，防止墨的滲色和深層滲透，從而使打印的圖象具有較高的飽和度和清晰度，達(dá)到多層彩色相紙的質(zhì)量水平[9-13]。</p><p>　　1.3.4納米二氧化硅對(duì)復(fù)合材料的影響</p><

34、p>　　隨著科技的發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)材料的性能提出了日益廣泛而苛刻的要求，單一組分的材料已難以滿足社會(huì)的需要。與研究和開發(fā)一種新型材料相比，將兩種或兩種以上性質(zhì)不同的現(xiàn)有材料通過某種工藝方法組合而成的復(fù)合材料，具有經(jīng)濟(jì)、高效等優(yōu)勢(shì)，因而具有極強(qiáng)的生命力[14]。復(fù)合材料通過各組分的協(xié)同作用可獲得單一組分所不具備的優(yōu)越性能。優(yōu)異綜合性能的獲得除與各組分的性質(zhì)有關(guān)外，在很大程度上還取決于復(fù)合材料中分散相尺寸的大小以及分散相與

35、連續(xù)相間的兼容性或界面狀態(tài)[15]。后兩種因素在復(fù)合材料的整個(gè)研究歷程中己得到了廣泛深入的研究。“納米復(fù)合材料”是80年代由Roy[16]等人提出來(lái)的，與單一相組成的納米結(jié)晶材料和納米相材料不同，它是由兩種或兩種以上的吉布斯固相至少在一個(gè)方向以納米級(jí)大小雜化而成的復(fù)合材料。這些固相可以是非晶質(zhì)、半晶質(zhì)、晶質(zhì)或者兼而有之，而且可以是無(wú)機(jī)、有機(jī)或者兩者都有。而聚合物/無(wú)機(jī)納米粒子復(fù)合材料則是復(fù)合材料領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣闊。<

36、;/p><p>　　1.4常用的制備納米二氧化硅的方法</p><p>　　到目前為止，納米二氧化硅的生產(chǎn)方法主要可以分為干法和濕法兩種。干法包括氣相法和電弧法，濕法有沉淀法、溶膠-凝膠法、微乳液法、超重力反應(yīng)法和水熱合成法等。</p><p><b>　　1.4.1氣相法</b></p><p>　　氣相法多以四氯化硅為原

37、料，采用四氯化硅氣體在氫氧氣流高溫下水解制得煙霧狀的二氧化硅。</p><p>　　2H2+O2→2H2O</p><p>　　SiCl4+2H2O→SiO2+4HCl</p><p>　　2H2+O2+SiCl4→SiO2+4HCl</p><p>　　該法優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)物純度高、分散度高、粒子細(xì)而且成球形，表面羥基少，因而具有優(yōu)異的補(bǔ)強(qiáng)性能，但

38、原料昂貴，能耗高，技術(shù)復(fù)雜，設(shè)備要求高。這些條件限制了產(chǎn)品的應(yīng)用[17-18]。</p><p><b>　　1.4.2沉淀法</b></p><p>　　沉淀法是硅酸鹽通過酸化獲得疏松、細(xì)分散的、以絮狀結(jié)構(gòu)沉淀出來(lái)的SiO2晶體。</p><p>　　Na2SiO3+HCl→H2SiO3+NaCl</p><p>　　

39、H2SiO3→SiO2+H2O</p><p>　　該法原料易得，生產(chǎn)流程簡(jiǎn)單，能耗低，投資少，但是產(chǎn)品質(zhì)量不如采用氣相法和凝膠法的產(chǎn)品好。</p><p>　　目前，沉淀法制備二氧化硅技術(shù)包括以下幾類：</p><p>　?。?）在有機(jī)溶劑中制備高分散性能的二氧化硅；</p><p>　?。?）酸化劑與硅酸鹽水溶液反應(yīng)，沉降物經(jīng)分離、干燥制

40、備二氧化硅；</p><p>　　（3）堿金屬硅酸鹽與無(wú)機(jī)酸混和形成二氧化硅水溶膠，再轉(zhuǎn)變?yōu)槟z顆粒，經(jīng)干燥、熱水洗滌、再干燥，鍛燒制得二氧化硅；</p><p>　　（4）水玻璃的碳酸化制備二氧化硅；</p><p>　?。?）通過噴霧造粒制備邊緣平滑非球形二氧化硅。</p><p>　　采用沉淀法制備二氧化硅，因其反應(yīng)介質(zhì)、反應(yīng)物配比、工

41、藝條件不同，所得產(chǎn)物性能迥異。</p><p>　　1.4.3微乳液反應(yīng)法</p><p>　　微乳液法，又稱反相膠束法，是液相制備法中的較為新穎的一種手段。金屬鹽和一定的沉淀劑形成微乳狀液，在較小的微區(qū)內(nèi)控制膠粒成核和生長(zhǎng)，熱處理后得到納米粒子。由于水相在反膠團(tuán)微乳液中以極小的液滴形式分布在油相中，形成了彼此分離的微區(qū)。如果將顆粒的形成空間限定于反膠團(tuán)微液的內(nèi)部，那么粒子的大小、形態(tài)、化

42、學(xué)組成和結(jié)構(gòu)等都將受到微乳體系的組成與結(jié)構(gòu)的顯著影響，從而為實(shí)現(xiàn)超威團(tuán)粒子尺寸的人為調(diào)控提供的條件。反膠團(tuán)微乳液法制備超威粒子有以下優(yōu)勢(shì)：（1）實(shí)驗(yàn)裝置相對(duì)簡(jiǎn)單、操作容易。無(wú)須高能耗和易損的復(fù)雜設(shè)備；（2）可以通過改變?cè)辖M成的方式來(lái)控制粒徑，而且粒徑分布窄；（3）易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)運(yùn)作，為工業(yè)化生產(chǎn)提供可能；（4）易于制備出均勻的多相無(wú)機(jī)化合物粉末，這對(duì)功能陶瓷材料的生產(chǎn)有重要意義[19]。</p><p>　

43、　1.5本課題選題的目的及意義</p><p>　　從國(guó)外的研究來(lái)看，美國(guó)的Carr研究小組、德國(guó)的Unger實(shí)驗(yàn)室在納米方面的研究工作最為深入，已經(jīng)開發(fā)出了一系列不同組分、不同結(jié)構(gòu)、不同形貌的納米結(jié)構(gòu)材料，而且在一些關(guān)鍵的技術(shù)上都已經(jīng)擁有了自己的專利和產(chǎn)權(quán)。他們所研究和制備的納米結(jié)構(gòu)材料已經(jīng)用于化工、醫(yī)藥、石化等領(lǐng)域，隨著納米結(jié)構(gòu)材料的制備方法的創(chuàng)新和完善，它將得到更廣泛的應(yīng)用。而國(guó)內(nèi)也有武漢大學(xué)化學(xué)系、南開大

44、學(xué)化學(xué)系、中科院大連化學(xué)物理研究所等科研單位從事這方面的研究。但是與國(guó)外的研究相比存在較大的差距，主要是合成工藝條件難以控制，合成機(jī)理還未完全弄清，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)性差，微球形顆粒之間容易團(tuán)聚和粒徑均一性難以控制等。</p><p>　　納米SiO2為無(wú)定型白色粉末，無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)污染，表面存在羥基與吸附水，具有純度高、粒徑小、密度低、比表面積大、分散性能好的特點(diǎn)，以及優(yōu)越的穩(wěn)定性、補(bǔ)強(qiáng)性、觸變性和優(yōu)良的光學(xué)及機(jī)械性

45、能，廣泛用于陶瓷、橡膠、塑料、涂料、顏料及催化劑載體等領(lǐng)域，對(duì)產(chǎn)品的升級(jí)具有重要意義。納米氧化鎂還可作為填料增強(qiáng)劑用于涂料、化妝品、橡膠和塑料。此外，近年來(lái)在生物、醫(yī)學(xué)方面也得到了應(yīng)用。</p><p>　　1.6課題研究思路及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)</p><p>　　納米材料由于具有表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等許多獨(dú)特性質(zhì)，在國(guó)防、電子、化工、核技術(shù)、冶金、航空、輕工、醫(yī)藥等領(lǐng)域

46、中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。其中，納米SiO2作為納米材料家族中的一員，是一種輕質(zhì)納米非晶固體材料，因其具有比表面積大、密度小和分散性好等特征，已經(jīng)引起高度重視。并且隨著二氧化硅制備技術(shù)的不斷發(fā)展及其在相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣闊，在生物醫(yī)學(xué)、催化、功能材料、化妝品、陶瓷、涂料和油漆等工業(yè)領(lǐng)域有著很廣泛的應(yīng)用，尤其作為照相級(jí)噴墨打印紙的涂覆材料而倍受關(guān)注。本文選用的是在實(shí)驗(yàn)室里比較容易成功的沉淀法，用硅酸鹽通過酸化獲得疏松、細(xì)分散的、以絮狀結(jié)構(gòu)沉

47、淀出來(lái)的二氧化硅晶體，并且使其干燥，然后加入濃度不同的二氧化硅到到聚乙烯當(dāng)中，看其對(duì)聚乙烯的影響。</p><p><b>　　2實(shí)驗(yàn)部分</b></p><p><b>　　2.1儀器與試劑</b></p><p><b>　　2.1.1試劑：</b></p><p>　　硅

48、酸鈉(AR，如皋市金陵試劑廠)、濃硫酸(AR，衢州巨化試劑廠)、氯化鈉(AR，上海試四赫維化工有限公司) 、無(wú)水乙醇（AR，杭州長(zhǎng)征化學(xué)試劑有限公司）</p><p><b>　　2.1.2儀器：</b></p><p>　　磁力攪拌器（DF-101S鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司）、分析天平（SL502N常州萬(wàn)泰天平儀器有限公司）、燒杯、量筒、抽濾瓶、真空泵、干燥器、烘

49、箱、萬(wàn)能電子拉力機(jī)等。</p><p><b>　　2.2實(shí)驗(yàn)原理:</b></p><p>　　本文采用沉淀法制備，化學(xué)方程式為：</p><p>　　Na2SiO3+H2SO4→H2SiO3+Na2SO4</p><p>　　H2SiO3→SiO2+H2O</p><p>　　該法原料易得，生

50、產(chǎn)流程簡(jiǎn)單，能耗低，投資少，酸化劑與硅酸鹽水溶液反應(yīng)，沉降物經(jīng)分離、干燥制備二氧化硅。如圖2-1</p><p>　　圖2-1二氧化硅有大到小的過程</p><p><b>　　2.3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　本課題的設(shè)計(jì)思路是：在常溫下，采用一定濃度的Na2SiO3溶液與一定濃度的H2SO4溶液，在一定濃度的NaCl溶液作為反

51、應(yīng)介質(zhì)的條件下發(fā)生反應(yīng)，生成H2SiO3和Na2SO4，此時(shí)將混合溶液升溫至70℃，熟化1h，使溶液中的H2SiO3分解為SiO2和水，經(jīng)過濾、洗滌至檢測(cè)不出SO42-，再經(jīng)乙醇洗滌數(shù)次，烘干即得到納米SiO2粉末。將高密度聚乙烯、納米二氧化硅以及其他助劑按著不同配比，不同加料次序在高速混料機(jī)上混合，控制一定的混料溫度以及混料時(shí)間，加工成擠出待用品；在雙螺桿擠出機(jī)上擠制成樣品。將制成的樣品在制樣機(jī)上依照測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)裁制成不同規(guī)格的測(cè)試樣條。

52、進(jìn)行性能測(cè)試并予以分析。實(shí)驗(yàn)流程見圖2-2</p><p>　　圖2-2實(shí)驗(yàn)制取納米二氧化硅的流程圖</p><p><b>　　2.4實(shí)驗(yàn)方法</b></p><p>　　1.制備納米二氧化硅</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)步驟：</b></p><p>　　(1)在25

53、℃時(shí)，配制15%NaCl溶液即用天平稱量150gNaCl固體，然后用蒸餾水沖稀至1L。用同樣的方法配制4%，6%，8%Na2SiO3溶液。</p><p>　　(2)在25℃時(shí)，配制6%，8%，10%H2SO4溶液。</p><p>　　(3)在25℃時(shí)，配制NaCl+Na2SiO3。</p><p>　　(4)在25℃時(shí)，制備試驗(yàn)將NaCl與Na2SiO3的混合溶

54、液放在磁力攪器上的燒杯中，接通電源，打開開關(guān)，使磁力棒在燒杯內(nèi)勻速的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)達(dá)到一定速度后，滴加10%H2SO4溶液，并用試紙測(cè)pH值，當(dāng)溶液pH達(dá)到9時(shí)，停止滴加硫酸溶液，攪拌10min后再滴加硫酸至pH=6，攪拌10min，再滴加酸至pH=3。此時(shí)停止加酸，將溶液溫度升至70℃，熟化1h。用事先準(zhǔn)備好的過濾設(shè)備過濾、水洗至檢不出SO4-；再用乙醇洗2～3次。80℃烘干。制備的樣品密封，待測(cè)物化數(shù)據(jù)。</p><p

55、>　　(5)對(duì)應(yīng)試驗(yàn)按照(4)做4%，6%，8%Na2SiO3和6%，8%，10%H2SO4的條件實(shí)驗(yàn)九組。反應(yīng)后熟化時(shí)間，水洗次數(shù)，醇洗次數(shù)與(4)條件試驗(yàn)一致。</p><p><b>　　2.制備復(fù)合材料</b></p><p>　　將高密度聚乙烯、納米二氧化硅以及其他助劑按著不同配比，不同加料次序在高速混料機(jī)上混合，控制一定的混料溫度以及混料時(shí)間，加工成

56、擠出待用品；在雙螺桿擠出機(jī)上擠制成樣品。工藝控制條件所示。將制成的樣品在制樣機(jī)上依照測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)裁制成不同規(guī)格的測(cè)試樣條。</p><p>　　納米二氧化硅+高密度聚乙烯----------高混機(jī)混和---擠出---制樣---性能測(cè)試</p><p><b>　　3結(jié)果與討論</b></p><p>　　3.1偏硅酸鈉的濃度對(duì)納米二氧化硅產(chǎn)量的影響

57、</p><p>　　在25℃的室溫下，保持硫酸溶液的濃度不變，改變偏硅酸鈉溶液濃度對(duì)產(chǎn)物的產(chǎn)量影響如下：</p><p>　　(1)濃硫酸的濃度為10%時(shí)，偏硅酸鈉的濃度為8%，6%，4%見表3-1</p><p>　　表3-1在相同時(shí)10%濃硫酸溶液，改變濃偏硅酸鈉溶液的濃度</p><p>　　當(dāng)濃硫酸的濃度為10%時(shí)，產(chǎn)量隨著偏硅酸鈉

58、的濃度下降而下降。</p><p>　　（2）濃硫酸的濃度為8%時(shí)，偏硅酸鈉的濃度為8%，6%，4%見表3-2</p><p>　　表3-2在相同時(shí)10%濃硫酸溶液，改變濃偏硅酸鈉溶液的濃度</p><p>　　當(dāng)濃硫酸的濃度為8%時(shí)，產(chǎn)量隨著偏硅酸鈉的濃度下降而下降。</p><p>　　(3)濃硫酸的濃度為6%時(shí)，偏硅酸鈉的濃度為8%，6

59、%，4%見表3-3</p><p>　　表3-3在相同時(shí)10%濃硫酸溶液，改變濃偏硅酸鈉溶液的濃度</p><p>　　當(dāng)濃硫酸的濃度為6%時(shí)，產(chǎn)量隨著偏硅酸鈉的濃度下降而下降。</p><p>　　綜合以上三幅圖可以看出，當(dāng)濃硫酸的濃度為10%的時(shí)候，產(chǎn)物質(zhì)量是最大的。</p><p>　　3.2濃H2SO4溶液的濃度對(duì)納米二氧化硅產(chǎn)量的影

60、響</p><p>　　在室溫為25℃時(shí)，首先保持偏硅酸鈉的濃度溶液的濃度為不變，改變濃硫酸的濃度分別為10%，8%，6%時(shí)。</p><p>　?。?）偏硅酸鈉的濃度為8%時(shí)，改變濃H2SO4溶液的濃度見表3-4</p><p>　　表3-4在相同時(shí)8%Na2SiO3溶液，改變濃H2SO4溶液的濃度</p><p>　　當(dāng)偏硅酸鈉的濃度為8

61、%時(shí)，產(chǎn)量隨著濃硫酸的濃度降低納米二氧化硅的產(chǎn)量也隨著下降。</p><p>　?。?）偏硅酸鈉的濃度為6%時(shí)，改變濃溶液的濃度見表3-5</p><p>　　表3-5在相同時(shí)8%Na2SiO3溶液，改變濃H2SO4溶液的濃度</p><p>　　當(dāng)偏硅酸鈉的濃度為6%時(shí)，產(chǎn)量隨著濃硫酸的濃度降低納米二氧化硅的產(chǎn)量也隨著下降。</p><p>

62、;　　(3)偏硅酸鈉的濃度為4%時(shí)，改變濃H2SO4溶液的濃度見表3-6</p><p>　　表3-6在相同時(shí)8%Na2SiO3溶液，改變濃H2SO4溶液的濃度</p><p>　　當(dāng)偏硅酸鈉的濃度為6%時(shí)，產(chǎn)量隨著濃硫酸的濃度降低納米二氧化硅的產(chǎn)量也隨著下降。</p><p>　　綜合以上三幅圖可以看出，當(dāng)偏硅酸鈉濃度為8%的時(shí)候，產(chǎn)物質(zhì)量是最大的。</p&

63、gt;<p>　　所以綜合以上六幅圖，可以看出當(dāng)濃硫酸的濃度為10%與偏硅酸鈉的濃度為8%的時(shí)候，所制得的納米二氧化硅的含量是最大的。</p><p>　　3.3較優(yōu)條件下納米二氧化硅的產(chǎn)率</p><p>　　當(dāng)濃硫酸的濃度為10%，偏硅酸鈉溶液的濃度為8%的時(shí)候，得到以下數(shù)據(jù)</p><p>　　產(chǎn)率=實(shí)際產(chǎn)量/理論產(chǎn)量</p>&l

64、t;p>　　表3-7不同濃度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果</p><p>　　在這種情況下的產(chǎn)率高，可以在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行少量的生產(chǎn)。</p><p>　　3.4紅外對(duì)制備的納米二氧化硅微粒的結(jié)構(gòu)表征</p><p><b>　　紅外組圖</b></p><p>　　圖3-1納米二氧化硅的紅外譜圖</p><p>

65、;　　在1097cm-1處吸收譜帶為Si-O-Si的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)，799cm-1和466cm-1處的吸收潛帶為Si-O-Si的彎曲振動(dòng)或伸縮振動(dòng)，1637cm-1處的吸收譜帶，應(yīng)該視為OH-的彎曲振動(dòng)，此外，3452cm-1處的吸收譜帶是由于酸化過程二氧化硅和溴化鉀壓片引入的水分子造成，可以確定是二氧化硅。</p><p>　　3.5摻雜納米二氧化硅的聚乙烯復(fù)合材料的制備與性能研究</p><

66、;p><b>　　測(cè)試分析方法：</b></p><p>　　拉伸、彎曲性能的測(cè)試：采用萬(wàn)能電子拉力機(jī)測(cè)試復(fù)合材料的拉伸和彎曲性能。</p><p>　　彎曲式樣厚度4mm，寬度10mm。長(zhǎng)度80mm，跨度64mm，壓頭半徑5mm。</p><p>　　拉伸式樣厚度2mm，寬度10mm，呈啞鈴形。</p><p>

67、　　試驗(yàn)速度30mm/min，每個(gè)樣品測(cè)3次，得其平均值。</p><p>　　表 3-8不同納米SiO2含量的抗拉強(qiáng)度</p><p>　　從表可以看出，可見隨著納米二氧化硅濃度的有小到大的過程中，拉伸強(qiáng)度有低到高再到低的一個(gè)過程。這是由于納米二氧化硅可以起到一定纖維增強(qiáng)的作用，而且納米二氧化硅增加了復(fù)合材料兩相界面面積，有利于沖擊能量的吸收；但是這兩種性質(zhì)有一定的范圍的，在加入的范圍內(nèi)

68、可以起到非常好的作用，在這個(gè)范圍內(nèi)有個(gè)最高點(diǎn)。</p><p><b>　　4結(jié)論與展望</b></p><p>　　以無(wú)機(jī)鹽——氯化鈉為反應(yīng)介質(zhì)，使用不同濃度的硅酸鈉和硫酸分別在pH=9、pH=6和pH=3進(jìn)行三步反應(yīng)，生成水合二氧化硅，,經(jīng)過濾、洗滌，干燥制得納米二氧化硅。從幾種測(cè)定的結(jié)果可以看出，本試驗(yàn)方法制備的納米二氧化硅粒徑在9nm～37nm之間。最佳條件制

69、備的納米二氧硅粒徑在10nm左右。納米二氧化硅填充是增韌增強(qiáng)聚合物基體的一種簡(jiǎn)便而行之有效的方法，它能有效地提高基體的強(qiáng)度及剛度，但同時(shí)也導(dǎo)致其脆性增加。為彌補(bǔ)材料性能上的不足，首先需要填充粒子在基體中分散均勻，其次要使二者間有良好的界面結(jié)合。納米級(jí)填充材料由于尺寸小，表面非配對(duì)原子多，與聚合物結(jié)合能力強(qiáng)，并且對(duì)聚合物基體的物理，化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生特殊的作用，因而日益受到人們的關(guān)注。通過在聚乙烯中加入納米二氧化硅使其性質(zhì)可以改變，可以增加其物

70、理性質(zhì)，可以預(yù)計(jì)采用該方法制備的雜化材料將綜合有機(jī)聚合物、無(wú)機(jī)粒子和納米材料三種材料的優(yōu)異性能。</p><p>　　納米二氧化硅具有許多普通填料無(wú)可比擬的優(yōu)越性，可賦予聚乙烯許多優(yōu)良的性能。但其補(bǔ)強(qiáng)聚乙烯材料還存在著一些問題：目前還只能在實(shí)驗(yàn)室小量生產(chǎn)，才能做到納米二氧化硅以100nm以下的粒徑在聚乙烯材料中均勻的分散，且制備的工藝較復(fù)雜，成本也較高，離產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)還有一定的距離。目前，雖然納米二氧化硅在聚乙烯中

71、的真正應(yīng)用才剛剛起步。但隨著科技的發(fā)展，特別是超聲分散技術(shù)的進(jìn)步、表面活性劑領(lǐng)域的成熟，對(duì)納米二氧化硅表面改性的研究也將會(huì)更加深入。納米二氧化硅改性的聚乙烯，將會(huì)在耐高溫材料、高強(qiáng)度材料、光學(xué)和生物材料等領(lǐng)域有更大的應(yīng)用空間。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] 張立德.納米材料和納米結(jié)構(gòu)[M].北京：科學(xué)出版社，2000.&l

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