二氧化硅改性讲义
纳米二氧化硅表面改性条件优化
纳米二氧化硅表面改性条件优化对于用熔融共混法制备的纳米复合材料而言，无机粒子能在聚合物中作纳米级的原生粒子分散是决定材料性能改善的最重要因素之一。
粒子在塑料中分散粒径大小及分散均匀性对填充改性塑料的性能及其均匀性影响很大。
因此解决自身团聚很强的纳米粒子在材料中的分散性问题，成为制备性能优良复合材料的关键点，也是难点之所在。
纳米SiO2为无定形白色粉末，是一种无毒、无味、无污染的无机非金属材料，其呈现出絮状和网状的准颗粒结构。
由于纳米SiO2表面能大，易于团聚，通常以二次聚集体的形式存在，限制了其超细效应的充分发挥，在有机相中难以浸润和分散。
目前，对纳米SiO2的改性方法有多种，通常采用的是硅烷偶联剂法。
硅烷偶联剂由于具有双反应功能团，能使填料与聚合物的结合界面以化学键相连，从而提高填料的补强性能[2～4]。
微波是一种波长从1mm到1m左右的超高频电磁波，具有物理、化学、生物学效应。
在电磁场中，体系介质产生极化取向，相邻分子间由于分子热运动产生强烈的相互作用，极性分子产生“变极”效应，由此产生了类似摩擦作用，使极性分子瞬间获得能量，以热量形式表现出来，介质整体温度同时随之升高。
微波还存在一种不是由温度引起的非热效应，微波作用下的有机反应，改变了反应动力学，降低了反应活化能。
以上特性使得微波加热有机反应具有传统加热法所无法具备的优点，反应速度快，效率高。
本文作者采用微波法对纳米SiO2进行表面改性，考察了偶联剂用量、微波功率、硫酸用量对改性效果的影响，探讨了最佳表面改性条件，并对改性后的纳米SiO2进行了表征。
1 实验部分1.1 主要试剂与仪器纳米二氧化硅：粒径100nm，购自海川化工有限公司，硅烷偶联剂SCA-1603：分析纯，哈尔滨化工研究所实验厂产品；浓硫酸：分析纯，购自莱阳市双双化工有限公司；无水乙醇：分析纯，天津市东丽区天大化学试剂厂产品。
电脑型旋钮码微波炉：顺德市格兰仕电器实业有限公司；PHS-3C精密pH计：上海精科；TGA-7热重分析仪：美国PE公司；370FTIR红外光谱仪：德国BRUKER，*****55。
超细二氧化硅改性及其在建筑涂料中的应用
5min。再加入一定量的超细二氧化硅, < 200r/ min 搅拌 10min, 使 其 充 分 润 湿。然 后 升 温 至 80 ~ 100 e , > 5000r/ min 高速剪切分散 30min, 最后冷却
补强性、增稠性和触变性优, 广泛应用于橡胶、涂料、 至室温, 即得颗粒表面包覆表活剂的超细二氧化硅
倍水 稀 释, 调 节 pH 值为 7 ~ 9, 超 声 波分 散 3 ~ 性, 使其与整个涂料体系相适应, 增强在体系中的相
) 18 )
第 27 卷第 3 期
非金属矿
2004 年 5 月
容性; 二是添加表活剂使其颗粒周围形成一层包覆 膜, 降低颗粒表面能, 产生空间位阻, 阻止其絮凝。 2. 2 表面活性剂对涂料性能的影响 一般只要能 够与表面硅羟基发生化学反应的易挥发的表活剂, 均可用来对超细二 氧化硅进行改 性。但不同 表活
纳米组分必须进行改性预处理, 使其与涂料体 系相 容, 才 能 发挥 其 特 殊 的 效应。表 活 剂 中, 以 KH2560 对超细二氧化硅的改性效果较优。随着超 细二氧化硅的加入量的增加, 涂料的性能逐渐提高。 当加入量达 2. 5% 左右时, 涂料性能最佳。随后, 随 加入量增大, 涂料性能变次。
第 27 卷第 3 期 2004 年 5 月
非金属矿
Non2Metallic M ines
Vol. 27 No. 3 May, 2004
超细二氧化硅改性及其在建筑涂料中的应用
王亚强 李玉平 郑廷秀 卢 君 肖汉宁
( 湖南大学材料科学与工程学院, 长沙 410082)
摘 要 根据超细二氧化硅的特征, 讨论了对其改性并用其制备建筑涂料的方 法及过程。以所制 备的建筑涂料 性能为考 察指标, 讨 论 了表面活性剂的种类对超细二氧化硅改性的影响以及改性后超细二氧化硅的添加量对建筑涂料性能的影响。研究结果表明, 硅烷偶联剂 KH2 560 是较好的超细二氧化硅改性剂, 改性超细二氧化硅的理想加入量为 2. 5% 左右。
二氧化硅基材料的表面改性与应用
二氧化硅基材料的表面改性与应用二氧化硅是一种广泛应用于材料科学领域的重要材料之一，其独特的化学特性和物理特性使其在许多领域都有重要的应用。
为了进一步优化二氧化硅的性能，表面改性技术被广泛研究和应用。
二氧化硅基材料的表面改性涉及到对材料表面进行一系列化学或物理处理的过程，目的是改变材料表面的相关特性。
这种改性技术可以通过不同的方法实现，包括溶液法、气相法等。
在溶液法中，常见的表面改性方法包括浸渍、涂覆、溶胶凝胶法等。
通过表面改性，可以改变二氧化硅表面的化学功能团和结构，从而调控材料的亲水性、疏水性等性质。
例如，通过引入有机硅化合物对二氧化硅表面进行修饰，可以提高材料的耐热性、耐腐蚀性和抗老化性能。
此外，还可以通过改变表面的纹理结构，提高材料的机械强度和导热性能。
表面改性技术对于二氧化硅的应用具有重要意义。
比如，在光电材料领域，通过对二氧化硅表面进行改性，可以提高材料的光学性能，使其具备更好的光吸收和光散射特性，提高太阳能电池的光电转化效率。
此外，在生物医学领域，通过对二氧化硅表面进行改性，可以调控材料与生物体的相容性，提高生物材料的生物相容性和生物降解性能。
此外，表面改性技术还能够用于二氧化硅材料的功能化修饰。
通过在二氧化硅表面引入具有特定功能的化合物或生物分子，可以赋予材料特定的化学反应性、生物活性等。
例如，在传感器领域，可以在二氧化硅表面引入特定的生物分子，使材料具备对特定生物分子的识别和检测功能。
总之，二氧化硅基材料的表面改性是一项具有重要意义的研究领域。
通过对材料表面进行化学或物理处理，可以改变材料的表面性质，从而调控其在不同领域的应用性能。
未来，随着科学技术的不断进步，相信表面改性技术将在二氧化硅材料的研究和应用中发挥越来越重要的作用。
纳米SiO2粉体表面改性
机械化学改性有两层含义
第一，利用超细粉碎过程中机械应力的作用激活物 料表面，使表面晶体结构与物理化学性质发生变化，从 而实现改性。 第二，利用机械应力对表面的激活和由此产生的离 子和游离基，引发单体烯烃类有机物聚合，或使偶联剂 等表面改性剂高效反应附着而实现改性。 显然，机械化学改性既是一种独立的改性方法，也 可视为是表面化学改性和接校改性等改性方法的实现与 促进手段。
偶联剂
硅烷类 钛酸酯类 铬铝酸盐及络合物
作用机理
分子中的一部分基团可与纳米SiO2粉体表面的各种官 能团反应，形成化学键合；另一部分基团与有机高分子 发生化学反应或物理缠绕或与其他分散相亲和，从而将 矿物粉体与有机基体两种性质差异很大的物质牢固结合 在一起，使无机粉体和有机高聚物分子之间产生具有特 殊功能的桥联作用。
接枝改性法
接枝改性是在一定的外部激发条件下，将单体烯烃 或聚合烯烃引入纳米SiO2颗粒表面的改性过程，有时还 需在引入单体烯烃后激发导致纳米SiO2表面的单体烯烃 聚合。由于烯烃和聚烯烃与树脂等有机高分子基体性质 接近，所以增强了纳米SiO2与基体间的结合而起到补强 作用。 产生接枝聚合的外部激发条件有许多种，如化学接 枝法、电解聚合法、等离子接枝聚合法、氧化法和紫外 线与高能电晕放电方法等。在烯烃单体中研磨物料实现 接枝聚合物在物料表面的附着也属于一种接枝改性的激 发手段。
不饱和有机酸
丙烯酸 甲基丙烯酸 丁烯酸 肉桂酸 山梨酸 2-氯丙烯酸 马来酸 衣康酸 醋酸乙烯
纳米二氧化硅表面改性
纳米二氧化硅表面改性一、本文概述纳米二氧化硅作为一种重要的无机纳米材料，因其独特的物理化学性质，如高比表面积、良好的化学稳定性和独特的光学性质等，在众多领域如橡胶、塑料、涂料、医药、化妆品和食品工业等都有着广泛的应用。
然而，纳米二氧化硅的高比表面积和表面能导致其易于团聚，从而影响了其性能和应用。
因此，对纳米二氧化硅进行表面改性，以改善其分散性和与其他材料的相容性，一直是纳米材料领域的研究热点。
本文旨在深入探讨纳米二氧化硅表面改性的各种方法、原理及其在实际应用中的效果。
我们将首先介绍纳米二氧化硅的基本性质和应用领域，然后重点论述表面改性的重要性以及目前常用的表面改性方法，包括物理改性和化学改性两大类。
在此基础上，我们将对改性后的纳米二氧化硅的性能进行评估，并探讨其在实际应用中的潜力和挑战。
我们将展望纳米二氧化硅表面改性的未来研究方向和应用前景。
通过本文的阐述，我们希望能够为从事纳米材料研究和应用的科研人员提供有价值的参考，推动纳米二氧化硅表面改性技术的进一步发展，并为其在各领域的广泛应用提供有力支持。
二、纳米二氧化硅的表面性质纳米二氧化硅（SiO₂）是一种重要的无机纳米材料，因其独特的物理化学性质，如高比表面积、优异的热稳定性、良好的光学透明性等，在众多领域如涂料、橡胶、塑料、陶瓷、生物医药等都有着广泛的应用。
而纳米二氧化硅的表面性质，特别是其表面结构和活性，直接影响了其在这些领域的应用效果。
纳米二氧化硅的表面结构主要由硅羟基（Si-OH）构成，这些硅羟基可以是孤立的，也可以是连生的，形成硅氧烷键（Si-O-Si）。
这些硅羟基的存在使得纳米二氧化硅表面带有亲水性，易于形成氢键，从而表现出强烈的吸附性能。
同时，硅羟基也是纳米二氧化硅表面改性的关键，通过对其进行化学反应，可以引入各种有机官能团，从而改变其表面性质。
纳米二氧化硅的表面活性主要源于其高比表面积和大量的表面硅羟基。
高比表面积使得纳米二氧化硅能够与其他物质进行充分的接触和反应，而大量的表面硅羟基则提供了丰富的反应位点。
二氧化硅表面改性及其应用
二氧化硅表面改性及其应用二氧化硅是一种广泛使用的材料，其在各种应用中都起着重要作用，包括制备催化剂、电子材料、涂料、化妆品等等。
然而，二氧化硅纳米颗粒表面的缺点也就更加突出，例如硅氧键的可反应性差，容易出现聚集现象，从而影响其化学和物理性质。
为了克服二氧化硅表面的缺点，二氧化硅表面的修饰变得越来越重要。
在这里，我们将探讨二氧化硅表面改性及其应用。
首先，我们将讨论各种常见的二氧化硅表面改性方法，以及如何通过表面改性来提高材料的性能。
然后，我们将探讨二氧化硅表面改性在一些应用中的作用，例如在电子器件、涂料、化妆品等领域中的应用。
最后，我们将简要总结未来的发展方向和研究前景。
一、二氧化硅表面改性方法对于二氧化硅来说，改善其表面化学性质的方法包括物理、化学和生物化学方法等。
已经开发出了各种方法来改善二氧化硅纳米颗粒的表面化学性质，其中包括化学修饰和吸附等技术。
化学修饰是指在纳米颗粒表面化学键形成的同时，通过共价化学反应或其他方法来改善纳米颗粒表面化学性质。
例如，磺酸化二氧化硅纳米颗粒表面上的硅氧键被磺酸基取代，从而增加了其亲水性。
另一个例子是，使用羧酸等负离子表面活性剂来修饰二氧化硅纳米颗粒表面，从而增加纳米颗粒与其他材料的悬浮度、降低表面能。
吸附法是其中一种不进行化学反应的方法。
吸附剂在二氧化硅纳米颗粒表面上通过分子静电力与一定的化学反应而捆绑。
吸附剂的种类主要有金属离子、有机分子和聚合物。
例如，硅胶表面吸附上羧酸等表面活性剂后，可提高其对水的亲和力，增加其水解性能。
另外，还有物理和生物化学方法，如固相反应、离子交换和酶处理等方法。
这些方法也能有效地改善二氧化硅纳米颗粒表面的物理和化学性质。
二、二氧化硅表面改性的应用二氧化硅表面改性可以改善其物理和化学性质，从而使其在电子器件、生物医学、催化剂，涂料和化妆品等领域有广泛的应用。
在电子材料中，二氧化硅纳米颗粒经过表面修饰后，可用于制备电子材料如薄膜晶体管、LED、染料敏化太阳能电池以及半导体领域的其他应用。
用表面活性剂改性的二氧化硅
用表面活性剂改性的二氧化硅X —评用表面活性剂改性的二氧化硅，它包括用表面活性剂材料处理过約气和法二氧化硅。
2、根据杖利要求1的用表面活性剂改性的二氧化硅，其中所述的二旣化硅是一种气相法二氧化硅，其BET表面积为50 m7g-400 m7g,其松密度为10 lbs/ft^A更低。
头粮据权利要求1的用表面活性剂改性的二氧化卑’其中所述的表面活性剂选自非离子表面活性剂.阳离子表面活性剂和两怪表面活性剂。
4. 报据权利要求1的用表而活性剂改性的二氧化硅，其中所述的气相法二筑化硅臭有的50 tn7g- -500 D17g的BET表面积和10 lbs/ft'A更低的松密度*所述的表面活性剂选自非离子表面活性剂、阳离子表面活性刑和两性表面活性剂。
5. 报据权利要求$的用表面活性剂改徃的二氧化硅，其中所述的表面活性剂是高分子負的表面活性剂，选自：収官能的EOPO嵌段共聚物；四官能的EOPO嵌段共聚物；季蛭盐；乙氧基化的季铁盐；乙襄基化的线性醇；烷基酚乙軌基化物；伯、仲和叔烷基脱及其盐衍生物；或胶乙罠基化物及其盐衍生物。
眞根据权利妥求5的用表奋活性剂改桂的二氧化硅，其中所述的李盐是用下列通式表示的二烷基二甲基锲盐；CH3-N*-CH3 X-R• ■式中R是至少含有6个C原子的烷基；X是选自卤素.硝酸根.碳酸根. 磷酸根.氢氧根.竣酸根、烷基硫酸根.烷基或芳基磺酸根.磷酸根或膽酸根的离子。
7、根据权利要求5的用表面活性剂改性的二氧化硅，其中所述的聚乙氧基化的季盐是用下列通式表示的单烷基单甲恳二乙氧基化的铁盐：严R-N*-(CH2CH2O)X H X"(CH2CH2O)y H■式中R是至少含有6个C原子的烷基；(X+Y)的平均值为2-15; X是选自囱素.硝酸根、碳酸根、磷酸根、氢氧根、竣酸根.烷基硫酸根、烷基或芳基磺酸抿、磷酸根或膳酸根的濡于。
8. 根据权利妥求5的用表面活性剂改性的二氧化硅，其中所述的脱乙氧基化物是用下列通式表示的：(CH2CH2O)X H/R-N(CH2CH2O)y H式中R是至少含有6个C原子的烷基；(X+Y)的平均值为2 - 50。
二氧化硅微球气相硅烷化表面改性
二氧化硅微球气相硅烷化表面改性作者：程欣欣李洪亮来源：《科技视界》2015年第10期【摘要】本文以自制的二氧化硅微球为对象，以带氨基官能团的APTES硅烷为硅烷化试剂，对比研究了气相蒸发法和液相浸渍法两种不同方法对二氧化硅微球进行硅烷化修饰的差异，为二氧化硅微球表面硅烷化的反应控制提供了实验基础和理论依据。
【关键词】二氧化硅微球；硅烷偶联剂；硅烷化；气相蒸发【Abstract】In this paper， the silica microsphere surface was modified using gamma aminopropyltriethoxysilane （APTS） by a vaporization assisted process. The advantage of the evaporation assisted method in comparison with the simple dipping method has been demonstrated by analyzing the results.【Key words】Silica microspheres； Silane coupling agent； Silylation； Vapor evaporation0 前言二氧化硅微球由于表面具有大量羟基，亲水性强，与有机基体复合的相容性性差，难以发挥其优良的性能，必须对其表面进行有机修饰[1]。
γ-氨丙基三乙氧基硅（APTS）是一种典型的硅烷偶联剂，常用于氧化物表面的修饰，经过APTS修饰的表面含有氨基，活性氨基可以与很多分子发生反应，从而大幅度拓展和提高二氧化硅的应用性能[2]。
在生物化学领域，由于活性氨基可以与蛋白质、DNA等生物分子偶联，在生物材料分离、酶和抗体等生物分子的固定等方面有重要的应用[3]。
在化工材料领域，修饰后的二氧化硅颗粒作为补强填料添加到橡胶、塑料等材料中，能有效地提高复合基体的拉伸强度、耐磨性、流变性、抗老化等性能[4]；在催化领域，APTES修饰的二氧化硅由于其具备多孔、高比表面和表面带有活性氨基，易于分离和重复使用等特点已经成为了一种重要的催化材料[5]；在吸附检测方面，二氧化硅微球表面接上所需要的特定官能团后可用于色谱分离，控制表面修饰的方式和程度，可以改善和强化色谱分离的选择性[6]，另外，表面修饰二氧化硅微球已被成功地用于重金属、药物、杀虫剂等的预浓集，表面接上氨基的二氧化硅微球还可用来对Zn2+，Cu2+和Hg2+离子进行预浓集[7]。
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三：改性纳米二氧化硅增韧环氧树 脂胶黏剂的优点
以硅烷类偶联剂对纳米二氧化硅进行表 面改性，提高纳米二氧化硅在环氧树脂胶 黏剂中的分散性能，增强环氧树脂胶黏剂 的韧性和粘接强度。
四：APTES改性纳米二氧化硅原理
在无水条件下APTS 分子的乙氧基直接与 二氧化硅表面的Si —OH 发生缩醇反应,形 成Si —O —Si 键。由于体系中无水APTS 分子间不会发生反应,因此这种反应生成的 是较规则的单分子层。
• （2）冲击性能测试按GB-T2567-2008进行 测试。
九：实验结果
拉伸强度/MPa
24
23
拉伸强度（1）/MPa
拉伸强度（2）/MPa
22
拉伸强度（3）/MPa 平均拉伸强度 /MPa
21
20
19
18
17
16
15
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
改性SiO2含量/%
12
冲击强度×103(1)/（J/m2）
11
冲击强度×103(2)/（J/m2）
未改性SiO （0.4%）×103/（J/m2） 2
10
平均冲击强度×103/（J/m2）
冲击强度×103（J/m2）
9
8
7
6
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
改性SiO2含量/%
十：拉伸剪切断面SEM分析
十一：红外线表征
透光率/%
100
80
60
40
SiO2
改性SiO2
20
0
4000
3000
2000
1000
0
波数/cm-1
十二：结论
（1）通过FT-IR对改性纳米SiO2进行表征分 析，证明用胺丙基三乙氧基硅烷（APTES） 能够成功对纳米SiO2进行改性，并提高了 其在环氧胶基体中的分散性能。
（2）改性纳米SiO2对环氧胶强度的提高具有 显著的效果，当填料用量为0.6%（质量分 数）时，胶黏剂强度最高达22.80MPa，与 空白实验相比，相对强度提高了31%；当 改性纳米SiO2质量分数为0.4%时，最高冲 击强度为10.97×103 J/m2，相对于未改性 的样品，添加改性纳米SiO2冲击强度最大 提高了约66.7%，相对于添加未修饰SiO2 填料的样品，冲击强度提高了52.15%。
上海昊化化工有 限公司
七：实验仪器
仪器名称
厂家
电子万能试验机（CSS— 44300）
简支梁冲击试验机
中国科学院长春科新公司试 验仪器研究所
承德精密试验机有限公司
红外光谱仪
SEM扫描电子显微镜 无锡创辉测量技术有限公司
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
八：性能测试
• （1）剪切拉伸测试按《胶粘剂拉伸剪切强 度测定方法》（GB 7124-86）进行测试， 测试温度：室温，拉伸速度：5mm/min。
性，表面活性非常大，能与环氧树脂在界 面上形成远大于范德华力的作用力；
2.由于比表面积大，纳米粒子与基体之 间接触界面大，受力时会产生更多的微裂 纹和塑性变形，可以起到较好的增韧效果；
3.纳米粒子的加入可以阻碍高分子链的 运动，增大交联密度，使玻璃化温度升高， 这对提高耐热性能有利。
2.2缺陷
无机纳米粒子也因其粒径小、比表面大、 具有亲水性，而容易团聚、在聚合物中不 易分散，在一定程度上限制了它的推广应 用。
五：APTES改性纳米二氧化硅的效果
图4 二氧化硅颗粒的SEM图
六：实验原料
名称
型号
厂家
氨水
分析纯
乙醇
分析纯
正硅酸四乙酯 （TEOS）
国药集团化学试 剂有限公司
氨丙基三乙氧基 硅烷（APTES）
河南兴华化工原 料有限公司
环氧树脂E-51 环氧值0.51，分 蓝星新材料无锡
析纯
树脂厂
环氧树脂E-51 聚酰胺650
改性纳米二氧化硅增韧环氧树 脂胶黏剂的研究
——杨坤
一：环氧树脂的特点
环氧树脂胶粘剂具有粘接强度高、粘接 范围广、收缩率低、稳定性好、耐酸碱、 加工方便、绝缘性能优良以及成本低廉等 特点，广泛用于粘接金属材料、非金属材 料、热固性材料等领域。
二：无机纳米粒子改性环氧树脂的 原理和缺陷
2.1原理 1.纳米粒子表面原子具有极高的不饱和