二氧化硅微球廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥、電子、催化劑載體及生物材料、工程材料等領(lǐng)域，因此二氧化硅微球的制備和應(yīng)用研究工作在材料科研領(lǐng)域是一個(gè)一大熱點(diǎn)。目前在二氧化硅領(lǐng)域，有兩種類型的納米結(jié)構(gòu)頗受重視，一是中空介孔SiO₂微球；二是單分散球形SiO₂。前者具有很高的比表面積和孔容，是很好的催化劑及藥物載體；后者比表面積大、分散性好，又有良好的光學(xué)及力學(xué)性能，在陶瓷、涂料、光電等領(lǐng)域都有著重要應(yīng)用。目前，二氧化硅微球的制備方法主要可以分為干法和濕法兩類，濕法包括溶膠-凝膠法、模板法、沉淀法、超重力反應(yīng)法、微乳液法和水熱合成法等；干法有氣相法和電弧法等。

單分散二氧化硅微球

一、應(yīng)用案例

①#潤(rùn)滑脂添加劑#納米SiO2表面含有大量的羥基與不飽和鍵，可以在摩擦副表面形成牢固的化學(xué)吸附膜，從而保護(hù)金屬摩擦表面，改善潤(rùn)滑油的摩擦性能，因此可以作為一種高性能、高環(huán)保型潤(rùn)滑油的添加劑。

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②#環(huán)氧樹(shù)脂紫外屏蔽劑#利用納米SiO2可以吸收紫外線的性能，將其加入到環(huán)氧樹(shù)脂中，可以減少紫外線對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂的降解作用，提高環(huán)氧樹(shù)脂的抗老化性能，同時(shí)使板材具有紫外光屏蔽功能。

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③#彩色噴墨打印紙吸墨主劑#納米SiO2具有特定的微孔網(wǎng)絡(luò)和優(yōu)良的固墨性能，因而將其應(yīng)用在彩色噴墨打印中，具有打印質(zhì)量高、墨點(diǎn)面積小、色密度高、圖像逼真等特點(diǎn)。彩噴紙結(jié)構(gòu)示意圖如下，其中吸墨涂層主要由吸墨主劑和吸墨輔劑兩部分組成。吸墨主劑又可分為無(wú)機(jī)類吸墨主劑和有機(jī)類吸墨主劑兩類，其中無(wú)機(jī)類吸墨主劑有無(wú)定形SiO2和水合氧化鋁等。

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④#醫(yī)藥載體#醫(yī)用納米粒子通常由聚合物或脂質(zhì)組成，但往往待運(yùn)輸物質(zhì)的溶解度與納米顆粒的特性不相容，但二氧化硅納米粒子就像帶有孔洞的小海綿一樣，可以輕松填充，并且可以對(duì)其性質(zhì)進(jìn)行修改以更好地與藥物相匹配。而二氧化硅納米顆?？梢员粯?shù)突狀的吞噬細(xì)胞吸收，進(jìn)而進(jìn)入淋巴觸發(fā)免疫，利用這種機(jī)制將納米二氧化硅作為藥物載體。

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⑤#光伏抗污涂層#用于光伏組件的硅基防反射膜常常遇到污染問(wèn)題，這也被認(rèn)為是影響光伏組件輸出功率的最嚴(yán)重問(wèn)題之一。中科院研究人員曾發(fā)表了實(shí)地實(shí)驗(yàn)研究成果，分析了沿海氣候條件下二氧化硅基防反射涂層表面形貌和化學(xué)性質(zhì)對(duì)抗污性能的影響。對(duì)太陽(yáng)能電池板的性能維護(hù)具有重要意義。研究發(fā)現(xiàn)，空心二氧化硅納米涂層HSN耐污性要比普通二氧化硅納米涂層SSN更好；而親水性HSN的耐污性又要強(qiáng)于疏水性HSN。

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⑥#液晶屏的間隔物#液晶屏的主要構(gòu)成包括：背光源、偏光板、彩色濾光膜、玻璃基板、薄膜晶體管、向膜、液晶等等，結(jié)構(gòu)示意圖可看下方。但除此之外，還有一種很關(guān)鍵的材料值得留意，那就是支撐起兩塊玻璃面板，發(fā)揮著“骨架”作用的間隔物——二氧化硅微球。若無(wú)這些微球?yàn)橐壕е纹鹱銐虻目臻g，那液晶就無(wú)處安放了。

但并不是所有二氧化硅微球可以作為液晶屏的間隔物——為了保證液晶屏的厚度和均勻性，這些微球的粒徑必須要保持高度均一，同時(shí)還對(duì)機(jī)械強(qiáng)度、純度、表面性能控制都有極高的要求，因此制備難度相當(dāng)高，這也導(dǎo)致該類產(chǎn)品在過(guò)去基本被日本所壟斷。（據(jù)稱將二氧化硅微球分級(jí)成滿足需求的窄分布難度非常大，只能日本人能處理，而且耗時(shí)非常長(zhǎng)，約需幾個(gè)月）

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二、制備方法

①溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是目前制備納米二氧化硅微球的主要方法，該工藝一般是將正硅酸乙酯與無(wú)水乙醇按一定的物質(zhì)的量比攪拌成均勻的混合溶液，在攪拌狀態(tài)下緩慢加入適量的去離子水，然后調(diào)節(jié)溶液的pH值，再加入合適的表面活性劑，將所得溶液攪拌后在室溫下陳化制得凝膠，再通過(guò)干燥等步驟制得所需SiO2粉體。

由溶膠-凝膠法制備所得的二氧化硅微球顆粒分散性好，尺寸可控，而且由于二氧化硅表面的硅羥基非常適合作為改性的橋梁，使其功能化，不斷發(fā)展的改性技術(shù)為其日益擴(kuò)展的應(yīng)用領(lǐng)域提供了新的機(jī)會(huì)，例如利用單分散的二氧化硅微球作核或殼，制備一些性能優(yōu)良的材料。

小科普：溶膠一凝膠法的基本原理及過(guò)程

無(wú)論所用的前驅(qū)物為無(wú)機(jī)鹽或金屬醇鹽，溶膠凝膠法的主要反應(yīng)步驟是前驅(qū)物溶于溶劑中（水或有機(jī)溶劑）形成均勻的溶液，溶質(zhì)與溶劑產(chǎn)生水解或醇解反應(yīng)，反應(yīng)生成物聚集成1nm左右的粒子并組成溶膠，后者經(jīng)蒸發(fā)干燥轉(zhuǎn)變?yōu)槟z。因此更全面地看，此法應(yīng)稱為SSG法即溶液-溶膠-凝膠法。

②模板法

模板法是制備納米二氧化硅中空微球的重要方法，主要是以表面活性劑為模板，在其上交替吸附相反電荷的聚電解質(zhì)和不同粒徑的SiO2粒子以生成納米二氧化硅微球，再將所得產(chǎn)物在高溫下煅燒，得到具有多孔結(jié)構(gòu)的納米二氧化硅中空微球。

傳統(tǒng)模板法制備納米二氧化硅微球工藝復(fù)雜，所得中空微球殼層結(jié)構(gòu)較疏松，易于破碎，且工藝過(guò)程中對(duì)條件控制比較苛刻，所得中空微球形貌難以控制。改進(jìn)后的模板法生成的復(fù)合微球的殼層厚度和形貌易于控制，且得到的復(fù)合微球表面均勻，結(jié)構(gòu)致密。

③沉淀法

沉淀法是將反應(yīng)物溶液與其它輔助劑混合，然后在混合溶液中加入酸化劑沉淀，生成的沉淀再經(jīng)干燥與煅燒得到納米二氧化硅微球?；瘜W(xué)沉淀法制備過(guò)程簡(jiǎn)單，原料來(lái)源廣泛，且對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求不高，能耗少，工藝簡(jiǎn)單，但其產(chǎn)品性狀難以控制，受許多可變因素的影響，有待于進(jìn)一步的深入研究。

④超重力法

超重力反應(yīng)法制備納米二氧化硅微球是利用在超重力場(chǎng)中，各相之間的傳遞和微觀混合過(guò)程可以盡可能的被強(qiáng)化，從而縮短反應(yīng)時(shí)間，大大提高反應(yīng)速率。用超重力法制備納米二氧化硅微球的工藝簡(jiǎn)單，原材料也容易獲得，并且在超重力環(huán)境中，傳質(zhì)過(guò)程和微觀混合過(guò)程得到了極大的強(qiáng)化，大大縮短了反應(yīng)時(shí)間。但該方法對(duì)反應(yīng)器的要求較高，成本較大。

⑤微乳液法

反向微乳法是近年發(fā)展起來(lái)的制備納米粒子的重要方法，在W/O型微乳液中，一般由表面活性劑、助表面活性劑、油(通常為極性小的有機(jī)物)、水組成。體系中，表面活性劑包圍著水相分散于連續(xù)的油相中，被包圍的水核是一個(gè)獨(dú)立的“微反應(yīng)器”。由于反應(yīng)在水核中受控進(jìn)行，制備的納米粒子與傳統(tǒng)方法相比較具有粒子分散性好，粒徑分布窄，易于調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)。

微乳液法制備納米二氧化硅粒子反應(yīng)在水核中受控進(jìn)行，所生成的產(chǎn)物顆粒大小和形狀與水核大小密切相關(guān)。與傳統(tǒng)的制備方法相比，微乳法制備納米二氧化硅微球粒徑調(diào)控方便，所得粒子分散性好，故微乳法在制備超細(xì)納米二氧化硅微球方面有著廣闊的前景。

⑥氣相法

氣相法制備二氧化硅微球是由鹵硅烷（如四氯化硅、四氟化硅、甲基三氯化硅等）在氫氧焰中高溫水解生成二氧化硅粒子。

氣相白炭黑（參考來(lái)源：WACKER）

氣相二氧化硅（氣相法白炭黑）工藝簡(jiǎn)介：氣硅是一種技術(shù)含量很高的精細(xì)化學(xué)品，是無(wú)定型二氧化硅產(chǎn)品中的高端品種，但生產(chǎn)氣硅的技術(shù)門(mén)檻也相對(duì)較高。氣相法白炭黑是以無(wú)機(jī)硅或有機(jī)硅的鹵化物未原料在氫氧火焰生成的水中進(jìn)行高溫水解制得，其原料主要是采用SiCl₄（此原料可來(lái)源于多晶硅生產(chǎn)過(guò)程的副產(chǎn)物），CH₃SiCl₃（有機(jī)硅單體生產(chǎn)過(guò)程的副產(chǎn)物）或二者的混合物未原料，其制備的化學(xué)反應(yīng)式如下：

SiCl₄+H₂+O₂→SiO₂+4HCl

CH₃SiCl₃+2H₂+3O₂→SiO₂+CO₂+3HCl+2H₂O

激光誘導(dǎo)氣相沉積法一種得到廣泛的關(guān)注的合成單分散二氧化硅粒子的方法。它是利用氣體對(duì)特定波段激光的吸收，從而誘導(dǎo)氣體分子發(fā)生反應(yīng)，再通過(guò)控制核的形成與生長(zhǎng)得到單分散納米二氧化硅粒子的方法。