纳米二氧化硅的制备及表面改性的研究

王维

摘要：纳米二氧化硅与其他聚合物混合成复合材料后不仅能集合两种材料的性能，还会产生一些复合性能，因此被广泛应用于涂料、黏合剂、塑料和阻燃材料等的生产中。下面将简单介绍一种纳米二氧化硅的制备方法，并将硅烷偶联剂KH-550、钛酸酯偶联剂NDZ-201应用到纳米二氧化硅的表面改性中，通过实验分析改性结果。

关键词：纳米二氧化硅；硅烷偶联剂；钛酸酯偶联剂；改性效果

中图分类号：TB383.1 文献标识码：A 文章编号：2095－6835（2014）09－0060－02

1纳米二氧化硅的制备

纳米二氧化硅是当前工业生产中产量最高的一种纳米粉体材料，具有优良的光学性能、光催化性能和流变性，同时还具有很强的无机增韧增强功能，因此被广泛应用于复合材料、颜料、陶瓷、黏合剂、化妆品、抗菌颜料等领域。

常用的制备方法有气相法、沉淀法、微乳液法、溶胶-凝胶法。气相法要运用到的原材是氧气、氢气和有机卤硅烷，在高温环境下就可以制备出纳米二氧化硅，其化学反应式为：SiCl4＋（n＋2）H2＋（n/2＋1）O2—＋SiO2′•nH2O＋4HCI.用这种方法制备出来的纳米二氧化硅纯度高、分散度好、粒径小，但制备过程中会造成严重的资源消耗，成本较高。类似的方法还有有机硅化合物分解法：将有机硅化合物、氢气和空气均匀混合起来，在高温环境下水解，然后利用分离器分离出大的凝集颗粒，最后进行脱酸处理，制备气相纳米二氧化硅。

2表面改性实验

纳米二氧化硅的表面能高，容易聚集成团，很难与有机物充分混合起来，再加上其表面亲水疏油，难以在有机介质中均匀分散，会影响填充效果，因此对其进行表面改性处理是非常必要的。下面就利用硅烷偶联剂KH-550、钛酸酯偶联剂NDZ-201作为改性剂对二氧化硅进行表面改性处理。

利用硅烷偶联剂KH-550改性纳米二氧化硅，具体步骤是：①用电子天平秤取一定量的干燥纳米二氧化硅，往其中加入适量的甲苯，并将其放置到有冷凝管的三口瓶中均匀搅拌，使纳米二氧化硅与甲苯充分混合。②加入适量的硅烷偶联剂KH-550，并加热，使其恒温回流一段时间。③抽滤。用无水乙醇洗涤三次，烘干后得到表面改性的纳米二氧化硅。

利用钛酸酯偶联剂NDZ-201改性纳米二氧化硅。先将一定量的纳米二氧化硅放置到烘箱中干燥24 h，然后装入三口瓶中，加入甲苯和钛酸酯偶联剂NDZ-201，搅拌均匀后加热，加热至指定温度后，进行回流、抽滤、洗涤和干燥，最终得到改性后的纳米二氧化硅。

对改性后的纳米二氧化硅进行亲油化度和吸水量的测试，并将这两个指标作为改性效果的主要评判指标。

3实验结果

3.1不同改性剂的改性效果对比

表1不同改性剂的改性效果对比

改性剂 硅烷偶联剂KH-550 钛酸酯偶联剂NDZ-201

用量/% 4 4

温度/℃ 2 1

时间/h 110 110

亲油化度/% 58.33 56.02

吸水率/% 3.02 4.82

以硅烷偶联剂KH-550、钛酸酯偶联剂NDZ-201为改性剂进行表面改性实验，检测改性后的纳米二氧化硅的亲油化度和吸水率，如表1所示。从表1中可以看出，硅烷偶联剂KH-550、钛酸酯偶联剂NDZ-201的亲油化度差别不大，但硅烷偶联剂KH-550的表面修饰效果更好，因此选用硅烷偶联剂KH-550为改性剂能取得较好的表面改性效果。

3.2反应条件对改性效果的影响

3.2.1改性剂用量

纳米二氧化硅是亲水材料，改性后是亲油疏水，也就是说，亲油化度越大，吸水率越小，改性效果也就越好。将改性剂用量分成1%，2%，3%，4%，5%，6%，分别进行6次改性实验，然后再将改性结果绘制成曲线图，来表示改性剂用量与亲油化度和吸水率之间的关系。随着硅烷偶联剂KH-550改性剂用量的增加，亲油化度迅速上升，接着又有所下降；吸水率则是先下降后有些微上升。这说明随着改性剂用量的增加，改性效果有显著增强，但当改性剂添加到一定量后，改性效果变化不大，甚至会随着改性剂用量的增加而有些轻微的降低。从这个实验中可以得出，当改性剂分量过少时，改性效果不明显；当改性剂分量过多时，部分改性剂会附着于纳米材料表面，增加后处理难度；只有当硅烷偶联剂KH-550添加量为4%时，改性效果最好，此时的亲油化度最高，吸水率最低。

3.2.2改性温度

合适的温度能为改性剂和纳米材料提供优良的反应环境，促进改性剂与纳米二氧化硅表面的羟基结合。温度过高会导致改性剂自身发生自聚或自散反应，影响改性效果。当改性温度从80 ℃逐渐上升到110 ℃时，改性效果呈现上升状态；当温度超过110 ℃后，改性效果开始下降，所以应将改性温度控制在110 ℃为佳。

3.2.3改性时间

从改性时间与亲油化度和吸水率的关系图中可以看出，改性时间在0.5～2 h这段期间，亲油化度明显提高、吸水率降低；随着改性时间的增加，改性效果也有显著增强；当改性时间超过2 h时，改性效果变化不大，甚至稍有下降。由此可见，最佳改性时间为2 h。

3.3分散稳定性实验

取一定量改性后的纳米二氧化硅和甲苯置于三口瓶中搅拌均匀，然后滴2滴质量分数为2%的甲基红指示剂。在另外一个三口瓶中放入未改性的纳米二氧化硅和甲苯，充分搅匀，然后滴2滴质量分数为2%的甲基红指示剂。将这两个三口瓶静置一段时间，观察其变化。结果发现，未改性的纳米二氧化硅三口瓶中的纳米材料沉淀到瓶底并呈粉红色，改性后的纳米二氧化硅材料则分散在甲苯溶液中，溶液呈黄色。由此可得出：未改性的纳米二氧化硅材料具有显弱酸性，无法均匀地分布到甲苯溶液中，且其表面有羟基，所以沉淀瓶底后呈粉红色。

4 结束语硅烷偶联剂KH-550、钛酸酯偶联剂NDZ-201在纳米二氧化硅材料的表面改性中具有广泛的应用，且前者的改性效果优于后者。把硅烷偶联剂KH-550作为改性剂时，要控制好改性剂用量、改性温度和改性时间，这样才能取得最佳改性效果。参考文献［1］李延洁.纳米二氧化硅的制备及表面改进的研究［D］.苏州：苏州大学，2011. 〔编辑：王霞〕Preparation and Surface Modification of Nano-silicaWang WeiAbstract: Nano-silica mixed with other polymers into composite materials not only a collection of properties after two materials, but also produce some composite performance, it is widely used in the production of coatings, adhesives, plastics and flame retardant materials, etc. the. The following briefly describes a method for preparing nano-silica and silane coupling agent KH-550, titanate coupling agent NDZ-201 is applied to the surface modification of nano-silica, modified by experimental analysis results. Key words: nano-silica; silane coupling agent; titanate coupling agent; modification effect

摘要：纳米二氧化硅与其他聚合物混合成复合材料后不仅能集合两种材料的性能，还会产生一些复合性能，因此被广泛应用于涂料、黏合剂、塑料和阻燃材料等的生产中。下面将简单介绍一种纳米二氧化硅的制备方法，并将硅烷偶联剂KH-550、钛酸酯偶联剂NDZ-201应用到纳米二氧化硅的表面改性中，通过实验分析改性结果。

关键词：纳米二氧化硅；硅烷偶联剂；钛酸酯偶联剂；改性效果

中图分类号：TB383.1 文献标识码：A 文章编号：2095－6835（2014）09－0060－02

1纳米二氧化硅的制备

纳米二氧化硅是当前工业生产中产量最高的一种纳米粉体材料，具有优良的光学性能、光催化性能和流变性，同时还具有很强的无机增韧增强功能，因此被广泛应用于复合材料、颜料、陶瓷、黏合剂、化妆品、抗菌颜料等领域。

常用的制备方法有气相法、沉淀法、微乳液法、溶胶-凝胶法。气相法要运用到的原材是氧气、氢气和有机卤硅烷，在高温环境下就可以制备出纳米二氧化硅，其化学反应式为：SiCl4＋（n＋2）H2＋（n/2＋1）O2—＋SiO2′•nH2O＋4HCI.用这种方法制备出来的纳米二氧化硅纯度高、分散度好、粒径小，但制备过程中会造成严重的资源消耗，成本较高。类似的方法还有有机硅化合物分解法：将有机硅化合物、氢气和空气均匀混合起来，在高温环境下水解，然后利用分离器分离出大的凝集颗粒，最后进行脱酸处理，制备气相纳米二氧化硅。

2表面改性实验

纳米二氧化硅的表面能高，容易聚集成团，很难与有机物充分混合起来，再加上其表面亲水疏油，难以在有机介质中均匀分散，会影响填充效果，因此对其进行表面改性处理是非常必要的。下面就利用硅烷偶联剂KH-550、钛酸酯偶联剂NDZ-201作为改性剂对二氧化硅进行表面改性处理。

利用硅烷偶联剂KH-550改性纳米二氧化硅，具体步骤是：①用电子天平秤取一定量的干燥纳米二氧化硅，往其中加入适量的甲苯，并将其放置到有冷凝管的三口瓶中均匀搅拌，使纳米二氧化硅与甲苯充分混合。②加入适量的硅烷偶联剂KH-550，并加热，使其恒温回流一段时间。③抽滤。用无水乙醇洗涤三次，烘干后得到表面改性的纳米二氧化硅。

利用钛酸酯偶联剂NDZ-201改性纳米二氧化硅。先将一定量的纳米二氧化硅放置到烘箱中干燥24 h，然后装入三口瓶中，加入甲苯和钛酸酯偶联剂NDZ-201，搅拌均匀后加热，加热至指定温度后，进行回流、抽滤、洗涤和干燥，最终得到改性后的纳米二氧化硅。

对改性后的纳米二氧化硅进行亲油化度和吸水量的测试，并将这两个指标作为改性效果的主要评判指标。

3实验结果

3.1不同改性剂的改性效果对比

表1不同改性剂的改性效果对比

改性剂 硅烷偶联剂KH-550 钛酸酯偶联剂NDZ-201

用量/% 4 4

温度/℃ 2 1

时间/h 110 110

亲油化度/% 58.33 56.02

吸水率/% 3.02 4.82

以硅烷偶联剂KH-550、钛酸酯偶联剂NDZ-201为改性剂进行表面改性实验，检测改性后的纳米二氧化硅的亲油化度和吸水率，如表1所示。从表1中可以看出，硅烷偶联剂KH-550、钛酸酯偶联剂NDZ-201的亲油化度差别不大，但硅烷偶联剂KH-550的表面修饰效果更好，因此选用硅烷偶联剂KH-550为改性剂能取得较好的表面改性效果。

3.2反应条件对改性效果的影响

3.2.1改性剂用量

纳米二氧化硅是亲水材料，改性后是亲油疏水，也就是说，亲油化度越大，吸水率越小，改性效果也就越好。将改性剂用量分成1%，2%，3%，4%，5%，6%，分别进行6次改性实验，然后再将改性结果绘制成曲线图，来表示改性剂用量与亲油化度和吸水率之间的关系。随着硅烷偶联剂KH-550改性剂用量的增加，亲油化度迅速上升，接着又有所下降；吸水率则是先下降后有些微上升。这说明随着改性剂用量的增加，改性效果有显著增强，但当改性剂添加到一定量后，改性效果变化不大，甚至会随着改性剂用量的增加而有些轻微的降低。从这个实验中可以得出，当改性剂分量过少时，改性效果不明显；当改性剂分量过多时，部分改性剂会附着于纳米材料表面，增加后处理难度；只有当硅烷偶联剂KH-550添加量为4%时，改性效果最好，此时的亲油化度最高，吸水率最低。

3.2.2改性温度

合适的温度能为改性剂和纳米材料提供优良的反应环境，促进改性剂与纳米二氧化硅表面的羟基结合。温度过高会导致改性剂自身发生自聚或自散反应，影响改性效果。当改性温度从80 ℃逐渐上升到110 ℃时，改性效果呈现上升状态；当温度超过110 ℃后，改性效果开始下降，所以应将改性温度控制在110 ℃为佳。

3.2.3改性时间

从改性时间与亲油化度和吸水率的关系图中可以看出，改性时间在0.5～2 h这段期间，亲油化度明显提高、吸水率降低；随着改性时间的增加，改性效果也有显著增强；当改性时间超过2 h时，改性效果变化不大，甚至稍有下降。由此可见，最佳改性时间为2 h。

3.3分散稳定性实验

取一定量改性后的纳米二氧化硅和甲苯置于三口瓶中搅拌均匀，然后滴2滴质量分数为2%的甲基红指示剂。在另外一个三口瓶中放入未改性的纳米二氧化硅和甲苯，充分搅匀，然后滴2滴质量分数为2%的甲基红指示剂。将这两个三口瓶静置一段时间，观察其变化。结果发现，未改性的纳米二氧化硅三口瓶中的纳米材料沉淀到瓶底并呈粉红色，改性后的纳米二氧化硅材料则分散在甲苯溶液中，溶液呈黄色。由此可得出：未改性的纳米二氧化硅材料具有显弱酸性，无法均匀地分布到甲苯溶液中，且其表面有羟基，所以沉淀瓶底后呈粉红色。

4 结束语硅烷偶联剂KH-550、钛酸酯偶联剂NDZ-201在纳米二氧化硅材料的表面改性中具有广泛的应用，且前者的改性效果优于后者。把硅烷偶联剂KH-550作为改性剂时，要控制好改性剂用量、改性温度和改性时间，这样才能取得最佳改性效果。参考文献［1］李延洁.纳米二氧化硅的制备及表面改进的研究［D］.苏州：苏州大学，2011. 〔编辑：王霞〕Preparation and Surface Modification of Nano-silicaWang WeiAbstract: Nano-silica mixed with other polymers into composite materials not only a collection of properties after two materials, but also produce some composite performance, it is widely used in the production of coatings, adhesives, plastics and flame retardant materials, etc. the. The following briefly describes a method for preparing nano-silica and silane coupling agent KH-550, titanate coupling agent NDZ-201 is applied to the surface modification of nano-silica, modified by experimental analysis results. Key words: nano-silica; silane coupling agent; titanate coupling agent; modification effect

摘要：纳米二氧化硅与其他聚合物混合成复合材料后不仅能集合两种材料的性能，还会产生一些复合性能，因此被广泛应用于涂料、黏合剂、塑料和阻燃材料等的生产中。下面将简单介绍一种纳米二氧化硅的制备方法，并将硅烷偶联剂KH-550、钛酸酯偶联剂NDZ-201应用到纳米二氧化硅的表面改性中，通过实验分析改性结果。

关键词：纳米二氧化硅；硅烷偶联剂；钛酸酯偶联剂；改性效果

中图分类号：TB383.1 文献标识码：A 文章编号：2095－6835（2014）09－0060－02

1纳米二氧化硅的制备

纳米二氧化硅是当前工业生产中产量最高的一种纳米粉体材料，具有优良的光学性能、光催化性能和流变性，同时还具有很强的无机增韧增强功能，因此被广泛应用于复合材料、颜料、陶瓷、黏合剂、化妆品、抗菌颜料等领域。

常用的制备方法有气相法、沉淀法、微乳液法、溶胶-凝胶法。气相法要运用到的原材是氧气、氢气和有机卤硅烷，在高温环境下就可以制备出纳米二氧化硅，其化学反应式为：SiCl4＋（n＋2）H2＋（n/2＋1）O2—＋SiO2′•nH2O＋4HCI.用这种方法制备出来的纳米二氧化硅纯度高、分散度好、粒径小，但制备过程中会造成严重的资源消耗，成本较高。类似的方法还有有机硅化合物分解法：将有机硅化合物、氢气和空气均匀混合起来，在高温环境下水解，然后利用分离器分离出大的凝集颗粒，最后进行脱酸处理，制备气相纳米二氧化硅。

2表面改性实验

纳米二氧化硅的表面能高，容易聚集成团，很难与有机物充分混合起来，再加上其表面亲水疏油，难以在有机介质中均匀分散，会影响填充效果，因此对其进行表面改性处理是非常必要的。下面就利用硅烷偶联剂KH-550、钛酸酯偶联剂NDZ-201作为改性剂对二氧化硅进行表面改性处理。

利用硅烷偶联剂KH-550改性纳米二氧化硅，具体步骤是：①用电子天平秤取一定量的干燥纳米二氧化硅，往其中加入适量的甲苯，并将其放置到有冷凝管的三口瓶中均匀搅拌，使纳米二氧化硅与甲苯充分混合。②加入适量的硅烷偶联剂KH-550，并加热，使其恒温回流一段时间。③抽滤。用无水乙醇洗涤三次，烘干后得到表面改性的纳米二氧化硅。

利用钛酸酯偶联剂NDZ-201改性纳米二氧化硅。先将一定量的纳米二氧化硅放置到烘箱中干燥24 h，然后装入三口瓶中，加入甲苯和钛酸酯偶联剂NDZ-201，搅拌均匀后加热，加热至指定温度后，进行回流、抽滤、洗涤和干燥，最终得到改性后的纳米二氧化硅。

对改性后的纳米二氧化硅进行亲油化度和吸水量的测试，并将这两个指标作为改性效果的主要评判指标。

3实验结果

3.1不同改性剂的改性效果对比

表1不同改性剂的改性效果对比

改性剂 硅烷偶联剂KH-550 钛酸酯偶联剂NDZ-201

用量/% 4 4

温度/℃ 2 1

时间/h 110 110

亲油化度/% 58.33 56.02

吸水率/% 3.02 4.82

以硅烷偶联剂KH-550、钛酸酯偶联剂NDZ-201为改性剂进行表面改性实验，检测改性后的纳米二氧化硅的亲油化度和吸水率，如表1所示。从表1中可以看出，硅烷偶联剂KH-550、钛酸酯偶联剂NDZ-201的亲油化度差别不大，但硅烷偶联剂KH-550的表面修饰效果更好，因此选用硅烷偶联剂KH-550为改性剂能取得较好的表面改性效果。

3.2反应条件对改性效果的影响

3.2.1改性剂用量

纳米二氧化硅是亲水材料，改性后是亲油疏水，也就是说，亲油化度越大，吸水率越小，改性效果也就越好。将改性剂用量分成1%，2%，3%，4%，5%，6%，分别进行6次改性实验，然后再将改性结果绘制成曲线图，来表示改性剂用量与亲油化度和吸水率之间的关系。随着硅烷偶联剂KH-550改性剂用量的增加，亲油化度迅速上升，接着又有所下降；吸水率则是先下降后有些微上升。这说明随着改性剂用量的增加，改性效果有显著增强，但当改性剂添加到一定量后，改性效果变化不大，甚至会随着改性剂用量的增加而有些轻微的降低。从这个实验中可以得出，当改性剂分量过少时，改性效果不明显；当改性剂分量过多时，部分改性剂会附着于纳米材料表面，增加后处理难度；只有当硅烷偶联剂KH-550添加量为4%时，改性效果最好，此时的亲油化度最高，吸水率最低。

3.2.2改性温度

合适的温度能为改性剂和纳米材料提供优良的反应环境，促进改性剂与纳米二氧化硅表面的羟基结合。温度过高会导致改性剂自身发生自聚或自散反应，影响改性效果。当改性温度从80 ℃逐渐上升到110 ℃时，改性效果呈现上升状态；当温度超过110 ℃后，改性效果开始下降，所以应将改性温度控制在110 ℃为佳。

3.2.3改性时间

从改性时间与亲油化度和吸水率的关系图中可以看出，改性时间在0.5～2 h这段期间，亲油化度明显提高、吸水率降低；随着改性时间的增加，改性效果也有显著增强；当改性时间超过2 h时，改性效果变化不大，甚至稍有下降。由此可见，最佳改性时间为2 h。

3.3分散稳定性实验

取一定量改性后的纳米二氧化硅和甲苯置于三口瓶中搅拌均匀，然后滴2滴质量分数为2%的甲基红指示剂。在另外一个三口瓶中放入未改性的纳米二氧化硅和甲苯，充分搅匀，然后滴2滴质量分数为2%的甲基红指示剂。将这两个三口瓶静置一段时间，观察其变化。结果发现，未改性的纳米二氧化硅三口瓶中的纳米材料沉淀到瓶底并呈粉红色，改性后的纳米二氧化硅材料则分散在甲苯溶液中，溶液呈黄色。由此可得出：未改性的纳米二氧化硅材料具有显弱酸性，无法均匀地分布到甲苯溶液中，且其表面有羟基，所以沉淀瓶底后呈粉红色。

4 结束语硅烷偶联剂KH-550、钛酸酯偶联剂NDZ-201在纳米二氧化硅材料的表面改性中具有广泛的应用，且前者的改性效果优于后者。把硅烷偶联剂KH-550作为改性剂时，要控制好改性剂用量、改性温度和改性时间，这样才能取得最佳改性效果。参考文献［1］李延洁.纳米二氧化硅的制备及表面改进的研究［D］.苏州：苏州大学，2011. 〔编辑：王霞〕Preparation and Surface Modification of Nano-silicaWang WeiAbstract: Nano-silica mixed with other polymers into composite materials not only a collection of properties after two materials, but also produce some composite performance, it is widely used in the production of coatings, adhesives, plastics and flame retardant materials, etc. the. The following briefly describes a method for preparing nano-silica and silane coupling agent KH-550, titanate coupling agent NDZ-201 is applied to the surface modification of nano-silica, modified by experimental analysis results. Key words: nano-silica; silane coupling agent; titanate coupling agent; modification effect