二氧化矽

二氧化矽

二氧化矽(化學式:SiO2)是一種酸性氧化物,對應水化物為矽酸(H2SiO3)。二氧化矽是矽最重要的化合物之一。地球上存在的天然二氧化矽約占地殼質量的12%,其存在形態有結晶型和無定型兩大類,統稱矽石。

  • 中文名稱
    二氧化矽
  • 化學式
    SiO2
  • 相對分子質量
    60.08
  • 化學品類別
    非金屬氧化物
  • 是否管制
  • 熔    點
    1650(±50)℃
  • 沸    點
    2230℃
  • 溶解度
    0.012g/100ml(水中)

基本簡介

二氧化矽(化學式:SiO₂)是一種酸性氧化物,對應水化物為矽酸(H₂SiO)。二氧化矽是矽最重要的化合物。地球上存在的天然二氧化矽約占地殼質量的12%,其存在形態有結晶形和無定形兩大類,統稱矽石。

基本性質

物理性質

二氧化矽又稱矽石,化學式SiO₂。自然界中存在有結晶二氧化矽和無定形二氧化矽兩種。結晶二氧化矽因晶體結構不同,分為石英、鱗石英和方石英三種。純石英為無色晶體,大而透明稜柱狀的石英叫水晶。若含有微量雜質的水晶帶有不同顏色,有紫水晶茶晶、墨晶等。普通的砂是細小的石英晶體,有黃砂(較多的鐵雜質)和白砂(雜質少、較純淨)。二氧化矽晶體中,矽原子的4個價電子與4個氧原子形成4個共價鍵,矽原子位於正四面體的中心,4個原子位於正四面體的4個頂角上,許多個這樣的四面體又通過頂角的氧原子相連,每個氧原子為兩個四面體共有,即每個氧原子與兩個矽原子相結合。SiO₂是表示組成的最簡式,僅是表示二氧化矽晶體中矽和氧的原子個數之比。二氧化矽是原子晶體。

二氧化矽

SiO₂中Si—O鍵的鍵能很高,熔點、沸點較高(熔點1723℃,沸點2230℃)。折射率大約為1.6.

各種二氧化矽產品的折射率為:石英砂為1.547;粉石英為1.544;脈石英為1.542;硅藻土為1.42~1.48;氣相白炭黑為1.46;沉澱白炭黑為1.46。

自然界存在的硅藻土是無定形二氧化矽,是低等水生植物硅藻的遺體,為白色固體或粉末狀,多孔、質輕、鬆軟的固體,吸附性強。

化學性質

化學性質比較穩定。不溶於水也不跟水反應。是酸性氧化物,不跟一般酸反應。氣態氟化氫跟二氧化矽反應生成氣態四氟化矽。跟熱的濃強鹼溶液或熔化的鹼反應生成矽酸鹽和水。跟多種金屬氧化物在高溫下反應生成矽酸鹽。用於製造石英玻璃、光學儀器、化學器皿、普通玻璃、耐火材料、光導纖維陶瓷等。二氧化矽的性質不活潑,它不與除氟、氟化氫以外的鹵素、鹵化氫以及硫酸、硝酸、高氯酸作用(熱濃磷酸除外)。常見的濃磷酸(或者說焦磷酸)在高溫下即可腐蝕二氧化矽,生成雜多酸,高溫下熔融硼酸鹽或者硼酐亦可腐蝕二氧化矽,鑒於此性質,硼酸鹽可以用於陶瓷燒制中的助熔劑,除此之外氟化氫也可以可使二氧化矽溶解的酸,生成易溶於水的氟矽酸: SiO₂ + 4HF = SiF4↑ + 2H₂O

酸氧通性

二氧化矽與鹼性氧化物

SiO₂ + CaO =(高溫) CaSiO₃二氧化矽能溶於濃熱的強鹼溶液:

SiO₂ + 2NaOH = NaSiO+ H₂O

(盛鹼的試劑瓶不能用玻璃塞而用橡膠塞的原因)

在高溫下,二氧化矽能被碳、鎂、鋁還原:

SiO₂+2C=(高溫)Si+2CO↑

若c過量,則發生反應:

Si+C=高溫=SiC(金剛砂)

矽酸酸酐

二氧化矽(SiO₂)。 

二氧化矽不與水反應,即與水接觸不生成矽酸,但人為規定二氧化矽為矽酸的酸酐。

基本用途

二氧化矽是製造玻璃、石英玻璃、水玻璃、光導纖維、電子工業的重要部件、光學儀器、工藝品和耐火材料的原料,是科學研究的重要材料。

二氧化矽的用途 :平板玻璃,玻璃製品,鑄造砂,玻璃纖維,陶瓷彩釉,防鏽用噴砂,過濾用砂,熔劑,耐火材料以及製造輕量氣泡混凝土(Autoclaved Lightweight Concrete)。 二氧化矽的用途很廣。自然界裡比較稀少的水晶可用以製造電子工業的重要 部件、光學儀器和工藝品。 二氧化矽是製造光導纖維的重要原料。 一般較純淨的石英,可用來製造石英玻璃。石英玻璃膨脹係數很小,相當於 普通玻璃的1/18,能經受溫度的劇變,耐酸性能好(除HF外),因此,石英玻璃 常用來製造耐高溫的化學儀器。 石英砂常用作玻璃原料和建築材料。

生態學數據

通常對水是不危害的,若無政府許可,勿將材料排入周圍環境。

合成方法

1.離子交換法∶將稀釋的水玻璃過濾除雜質後經陽離子交換,陰離子交換,調節pH值,經蒸發或超濾濃縮,製得矽溶膠。

2. 矽粉法∶蒸餾水及氫氧化鈉(試劑級)加到反應槽中,升溫至65℃,加入一定量的氨水調整鹼度,在攪拌下分批加入矽粉,控制溫度在8.3℃以下,矽粉加完後繼續攪拌2~3h,待pH值降至9~10時,取樣分析,反應完成後在攪拌下冷卻至50℃,經自然過濾,製得矽溶膠產品。未反應的矽粉可回收再用。

3.硫酸法∶將稀釋的水玻璃與稀硫酸混合於20~30℃進行反應製得矽凝膠,老化4h,用2%~2.5%的稀硫酸浸泡1h,用40~50℃的水洗滌,在轉筒烘乾器中脫水至含水量≤80%,經烘乾至水分含量≤10%,置於500~550℃活化爐中活化,經篩選製得粗孔微球矽膠。

4.煉製生鐵時,廢渣中含有二氧化矽。

危險屬性

WGK Germany 2

RTECS號VV7310000

TSCA Yes

玻璃及玻璃刻字

平板玻璃、浮法玻璃、玻璃製品(玻璃罐、玻璃瓶等)、光學玻璃、玻璃纖維玻璃儀器、導電玻璃、玻璃布及防射線特種玻璃等的主要原料。

特殊用途:玻璃刻字:先在玻璃瓶上塗一層石蠟,再用銳器刻上字,再用氫氟酸在刻字的蠟上塗抹一遍,.稍等片刻字跡即可顯現出來。原理:氫氟酸腐蝕二氧化矽

陶瓷及耐火材料

瓷器的胚料和釉料,窯爐用高矽磚、普通矽磚以及碳化矽等的原料。

冶金

矽金屬、矽鐵合金和矽鋁合金等的原料或添加劑、熔劑。

建築

混凝土、膠凝材料、築路材料、人造大理石、水泥物理性能檢驗材料(即水泥標準砂)等。

化工

化合物和水玻璃等的原料,硫酸塔的填充物,無定形二氧化矽可作為吸附劑來使用。

機械

鑄造型砂的主要原料,研磨材料(噴砂、硬研磨紙、砂紙、砂布等)。.

電子

高純度金屬矽、通訊用光纖等。

在微電子工藝中, SiO 2 薄膜因其優越的電絕緣性和工藝的可行性而被廣泛採用。在半導體器件中, 利用SiO 2 禁頻寬度可變的特性, 可作為非晶矽太陽電池的薄膜光吸收層, 以提高光吸收效率; 還可作為金屬2氮化物2氧化物2半導體(MN SO ) 存儲器件中的電荷存儲層, 積體電路中CMOS 器件和SiGeMOS 器件以及薄膜電晶體(TFT ) 中的柵介質層等。此外, 隨著大規模積體電路器件集成度的提高, 多層布線技術變得愈加重要, 如邏輯器件的中間介質層將增加到4~ 5 層, 這就要求減小介質層帶來的寄生電容。鑒於此, 現在很多研究者都對低介電常數介質膜的種類、製備方法和性能進行了深入研究。對新型低介電常數介質材料的要求是: 在電性能方面具有低損耗和低耗電; 在機械性能方面具有高附著力和高硬度; 在化學性能方面要求耐腐蝕和低吸水性; 在熱性能方面有高穩定性和低收縮性。目前普遍採用的製備介質層的SiO 2, 其介電常數約為4. 0, 並具有良好的機械性能。如用於矽大功率雙極電晶體管芯平面和台面鈍化, 提高或保持了管芯的擊穿電壓, 並提高了電晶體的穩定性。這種技術, 完全達到了保護鈍化器件的目的, 使得器件的性能穩定、可靠, 減少了外界對晶片沾污、乾擾, 提高了器件的可靠性能。

20 世紀80 年代末期, Si 基SiO₂光波導無源和有源器件的研究取得了長足的發展, 使這類器件不僅具有優良的傳導特性, 還將具備光放大、發光和電光調製等基本功能, 在光學集成和光電集成器件方面很有套用前景, 可作為波導膜、減反膜和增透膜。隨著光通信及集成光學研究的飛速發展, 玻璃薄膜光波導被廣泛套用於光無源器件及集成光路中。製備性能良好的用作光波導的薄膜顯得至關重要。集成光路中光波導的一般要求: 單模傳輸、低傳輸損耗、同光纖耦合效率高等。波導損耗來源主要分為材料吸收、基片損耗、散射損耗三部分。通過選用表面粗糙度高、平整的光學用玻璃片或預先濺射足夠厚的SiO₂薄膜的普通玻璃基片, 使波導模瞬間場分布遠離粗糙表面,以減少基底損耗。雷射器用減反膜的研究也取得了很大的進展。中國工程物理研究院與化學所用溶膠凝膠法成功地研製出紫外雷射SiO2 減反膜。結果表明, 浸入塗膜法製備的多孔SiO2 薄膜比早期的真空蒸發和鏇轉塗膜法製備的SiO₂薄膜有更好的減反射效果。在波長350nm 處的透過率達到98%以上, 紫外區的最高透過率達到99%以上。該SiO₂薄膜有望用於慣性約束聚變( ICF) 和X 光雷射研究的透光元件的減反射膜。目前在溶膠凝膠工藝製備保護膜、增透膜方面也取得了一些進展。此法製備的SiO₂光學薄膜在慣性約束聚變的雷射裝置中已成為一種重要的手段,廣泛地套用於增透光學元件上, 如空間濾波器、視窗、靶室視窗或打靶透鏡。在諧波轉換元件KDP晶體上用溶膠工藝鍍制保護、增透膜,能改善KDP 晶體的工作條件,提高諧波光束的質量與可聚焦功率。

橡膠、塑膠

在橡膠中添加二氧化矽,可提高橡膠的耐磨度。

可降低輪胎滾動阻力的同時可改善輪胎的耐磨性和抗濕滑性。

使用二氧化矽的膠料拉伸強度、撕裂強度、耐磨性等均有提高。

塗料

填料(可提高塗料的耐候性)、可用來生產消光劑,亦可以作為塗料增稠劑。

食品、藥品

在食品工業中主要用於防止粉狀食品聚集結塊,以保持自由流動的一類食品添加劑或用於吸附液態的香料、油脂、維生素等,使之成為粉末狀,如粉末油脂、固體香料和固體酒之類製品。(例:奶粉)

在藥品生產中可作為助流劑、催化劑載體等。

相關危害

二氧化矽在日常生活、生產和科研等方面有著重要的用途,但有時也會對人體造成危害。二氧化矽的粉塵極細,比表面積達到100㎡/g以上可以懸浮在空氣中,如果人長期吸入含有二氧化矽的粉塵,就會患矽肺病(因矽舊稱為矽,矽肺舊稱為矽肺)。

二氧化矽

矽肺是一種職業病,它的發生及嚴重程度,取決於空氣中粉塵的含量和粉塵中二氧化矽的含量,以及與人的接觸時間等。長期在二氧化矽粉塵含量較高的地方,如採礦、翻砂、噴砂、制陶瓷、制耐火材料等場所工作的人易患此病。

套用

氣相二氧化矽是極其重要的高科技超微細無機新材料之一,由於其粒徑很小,因此比表面積大,表面吸附力強,表面能大,化學純度高、分散性能好、熱阻、電阻等方面具有特異的性能,以其優越的穩定性、補強性、增稠性和觸變性,在眾多學科及領域內獨具特性,有著不可取代的作用。氣相二氧化矽俗稱“超微細白炭黑”,廣泛用於各行業作為添加劑、催化劑載體,石油化工,脫色劑,消光劑,橡膠補強劑,塑膠充填劑,油墨增稠劑,金屬軟性磨光劑,絕緣絕熱填充劑,高級日用化妝品填料及噴塗材料、醫藥、環保等各種領域。並為相關工業領域的發展提供了新材料基礎和技術保證。由於它在磁性、催化性、光吸收、熱阻和熔點等方面與常規材料相比顯示出特異功能,因而得到人們的極大重視。

一、電子封裝材料

有機物電致發光器材(OELD)是目前新開發研製的一種新型平面顯示器件,具有開啟和驅動電壓低,且可直流電壓驅動,可與規模積體電路相匹配,易實現全彩色化,發光亮度高(>105cd/m2)等優點,但OELD器件使用壽命還不能滿足套用要求,其中需要解決的技術難點之一就是器件的封裝材料和封裝技術。目前,國外(日、美、歐洲等)廣泛採用有機矽改性環氧樹脂,即通過兩者之間的共混、共聚或接枝反應而達到既能降低環氧樹脂內應力又能形成分子內增韌,提高耐高溫性能,同時也提高有機矽的防水、防油、抗氧性能,但其需要的固化時間較長(幾個小時到幾天),要加快固化反應,需要在較高溫度(60℃至100℃以上)或增大固化劑的使用量,這不但增加成本,而且還難於滿足大規模器件生產線對封裝材料的要求(時間短、室溫封裝)。將經表面活性處理後的氣相二氧化矽充分分散在有機矽改性環氧樹脂封裝膠基質中,可以大幅度地縮短封裝材料固化時間(為2.0-2.5h),且固化溫度可降低到室溫,使OELD器件密封性能得到顯著提高,增加OELD器件的使用壽命。

二、樹脂複合材料

樹脂基複合材料具有輕質、高強、耐腐蝕等特點,但近年來材料界和國民經濟支柱產業對樹脂基材料使用性能的要求越來越高,如何合成高性能的樹脂基複合材料,已成為當前材料界和企業界的重要課題。氣相二氧化矽的問世,為樹脂基複合材料的合成提供了新的機遇,為傳統樹脂基材料的改性提供了一條新的途徑,只要能將氣相二氧化矽顆粒充分、均勻地分散到樹脂材料中,完全能達到全面改善樹脂基材料性能的目的。

1、提高強度和延伸率。環氧樹脂是基本的樹脂材料,把氣相二氧化矽添加到環氧樹脂中,在結構上完全不同於粗晶二氧化矽(白炭黑等)添加的環氧樹脂基複合材料,粗晶SiO2一般作為補強劑加入,它主要分布在高分子材料的鏈間中,而氣相二氧化矽由於表面嚴重的配位不足、龐大的比表面積以及表面欠氧等特點,使它表現出極強的活性,很容易和環氧環狀分子的氧起鍵合作用,提高了分子間的鍵力,同時尚有一部分氣相二氧化矽顆粒仍然分布在高分子鏈的空隙中,與粗晶SiO₂顆粒相比較,表現很高的流漣性,從而使氣相二氧化矽添加的環氧樹脂材料強度、韌性、延展性均大幅度提高。

2、提高耐磨性和改善材料表面的光潔度。氣相二氧化矽顆粒比SiO2要小100—1000倍,將其添加到環氧樹脂中,有利於拉成絲。由於氣相二氧化矽的高流動性和小尺寸效應,使材料表面更加緻密細潔,摩擦係數變小,加之納米顆粒的高強度,使材料的耐磨性大大增強。  

3、抗老化性能。環氧樹脂基複合材料使用過程中一個致命的弱點是抗老化性能差,其原因主要是太陽輻射的280—400nm波段的紫外線中、長波作用,它對樹脂基複合材料的破壞作用是十分嚴重的,高分子鏈的降解致使樹脂基複合材料迅速老化。而氣相二氧化矽可以強烈地反射紫外線,加入到環氧樹脂中可大大減少紫外線對環氧樹脂的降解作用,從而達到延緩材料老化的目的。 

三、塑膠

利用氣相二氧化矽透光、粒度小,可以使塑膠變得更加緻密,在聚苯乙烯塑膠薄膜中添加二氧化矽後,不但提高其透明度、強度、韌性,而且防水性能和抗老化性能也明顯提高。通過在普通塑膠聚氯乙烯中添加少量氣相二氧化矽後生產出的塑鋼門窗硬度、光潔度和抗老化性能均大幅提高。利用氣相二氧化矽對普通塑膠聚丙烯進行改性,主要技術指標(吸水率、絕緣電阻、壓縮殘餘變形、撓曲強度等)均達到或超過工程塑膠尼龍6的性能指標,實現了聚丙烯鐵道配件替代尼龍6使用,產品成本大幅下降,其經濟效益和社會效益十分顯著。

四、塗料

我國是塗料生產和消費大國,但當前國產塗料普遍存在著性能方面的不足,諸如懸浮穩定性差、觸變性差、耐候性差、耐洗刷性差等,致使每年需進口大量高質量的塗料。上海、北京、杭州、寧波等地的一些塗料生產企業敢於創新,成功地實現了氣相二氧化矽在塗料中的套用,這種納米改性塗料一改以往產品的不足,經檢測其主要性能指標除對比率不變外,其餘均大幅提高,如外牆塗料的耐洗刷性由原來的一千多次提高到一萬多次,人工加速氣候老化和人工輻射暴露老化時間由原來的250小時(粉化1級、變色2級)提高到600小時(無粉化,漆膜無變色,色差值4.8),此外塗膜與牆體結合強度大幅提高,塗膜硬度顯著增加,表面自潔能力也獲得改善。  

五、橡膠

橡膠是一種伸縮性優異的彈性體,但其綜合性能並不令人滿意,生產橡膠製品過程中通常需在膠料中加入炭黑來提高強度、耐磨性和抗老化性,但由於炭黑的加入使得製品均為黑色,且檔次不高。而氣相二氧化矽在我國的問世為生產出色彩新穎、性能優異的新一代橡膠製品奠定了物質基礎。  在普通橡膠中添加少量氣相二氧化矽後,產品的強度、耐磨性和抗老化性等性能均達到或超過高檔橡膠製品,而且可以保持顏色長久不變。納米改性彩色三元乙丙防水卷材,其耐磨性、抗拉強度、抗折性、抗老化性能均提高明顯,且色彩鮮艷,保色效果優異。彩色輪胎的研製工作也取得了一定的進展,如輪胎側面膠的抗折性能由原來的10萬次提高到50萬次以上,有望在不久的將來,實現國產汽車、機車輪胎的彩色化。

六、顏(染)料

有機顏(染)料雖具有鮮艷的色彩和很強的著色力,但一般耐光、耐熱、耐溶劑和耐遷移性能往往不及無機顏料。通過添加氣相二氧化矽對有機顏(染)料進行表面改性處理,不但使顏(染)料抗老化性能大幅提高,而且亮度、色調和飽和度等指標也均出現一定程度的提高,性能可與進口高檔產品相媲美,極大地拓寬了有機顏(染)料的檔次和套用範圍。

七、陶瓷

用氣相二氧化矽代替氣相三氧化二鋁添加到95瓷里,既可以起到納米顆粒的作用,同時它又是第二相的顆粒,不但提高陶瓷材料的強度、韌性,而且提高了材料的硬度和彈性模量等性能,其效果比添加A1203更理想。  利用氣相二氧化矽來複合陶瓷基片,不但提高了基片的緻密性、韌性和光潔度,而且燒結溫度大幅降低。此外,氣相二氧化矽在陶瓷過濾網、剛玉球等陶瓷產品中套用效果也十分顯著。

八、密封膠、粘結劑

密封膠、粘結劑是量大、面廣、使用範圍寬的重要產品。它要求產品粘度、流動性、固化速度達最佳條件。我國在這個領域的產品比較落後,高檔的密封膠和粘結劑都依賴進口。國外在這個領域的產品已經採用納米材料作改性劑,而氣相二氧化矽是首選材料,它主要是在氣相二氧化矽表面包敷一層有機材料,使之具有憎水性,將它添加到密封膠中很快形成一種矽石結構,即氣相二氧化矽小顆粒形成網路結構抑制膠體流動,加快固化速度,提高粘結效果,由於氣相二氧化矽顆粒尺小從而也增加了產品的密封性和防滲性。

九、玻璃鋼製品

玻璃鋼製品雖然有輕質、高強、耐腐蝕等優點,但其本身硬度較低、耐磨性較差。有關專家通過超聲分散方法將氣相二氧化矽添加到膠衣樹脂中,與未加氣相二氧化矽的膠衣做性能對比實驗,發現其莫氏硬度由原來的2.2級(相當於石膏的硬度)提高到2.8~2.9級(3級是天然大理石硬度),耐磨性提高1~2倍,因納米顆粒與有機高分子產生接枝和鍵合作用,使材料韌性增加,故抗拉強度和抗衝擊強度提高1倍以上,耐熱性能也大幅提高。

十、藥物載體

隨著當前城市生活垃圾的大幅增長以及環境污染的日趨嚴重,加大消滅“四害”的力度、預防疾病的傳播已十分迫切。在樹幹上塗刷石灰、向垃圾箱噴灑藥水已作用不大,現在大城市已採用噴塗中樞神經麻醉藥類殺蟲劑來消滅蚊子、蒼蠅、蟑螂等昆蟲類害蟲,但這些殺蟲劑多從國外進口,價格較高,噴塗後有效期較短(只有一個月)。採用氣相二氧化矽為載體吸附該類殺蟲劑,起到了很好的緩釋效果,據測定,其噴塗後有效期長達一年以上。

十一、化妝品

對於化妝品來說,要求對紫外線禁止能力強,最好是既能防護紫外中波(UVB)對人體的危害,亦能對紫外長波(UVA)起防護作用。實質上,紫外禁止包括兩方面,一是前面所述對紫外線的吸收,另一方面是對紫外線的反射,目前,世界上從紫外反射性能角度開發的抗紫外劑還未見報導。  在防曬產品中以往多使用有機化合物為紫外線吸收劑,但是存在諸如為了儘可能保護皮膚不接觸紫外線而提高添加量之後,會增加發生皮膚癌以及產生化學性過敏等問題,而氣相二氧化矽為無機成分,易於與化妝品其它組分配伍,無毒、無味,不存在上述問題,且自身為白色,可以簡單地加以著色,尤其可貴的是氣相二氧化矽反射紫外能力強、穩定性好,被紫外線照射後不分解,不變色,也不會與配方中其它組分起化學反應。氣相二氧化矽的這些突出特點為防曬化妝品的升級換代奠定了良好的基礎。

十二、抗菌材料

利用氣相二氧化矽龐大的比表面積、表面多介孔結構和超強的吸附能力以及奇異的理化特性,將銀離子等功能離子均勻地設計到氣相二氧化矽表面的介孔中,並實施穩定,成功開發出高效、持久、耐高溫、廣譜抗菌的納米抗菌粉(粒徑只有70納米左右),不但填補國內空白,而且主要技術指標均達到或超過日本同類產品。經檢測,當納米抗菌粉在水中的濃度僅為0.315%時,對革蘭氏陽性代表菌種與革蘭氏陰性代表菌種的抗菌能力就可以非常明顯的表露出來,抑菌圈出現2—3mm,且隨著納米抗菌粉在水中濃度的增加,抑菌圈明顯增大。據測定,水中含Ag+為0.01mg/1時,就能完全殺滅水中的大腸桿菌,並能保持長達90天內不繁衍出新的菌叢。  將納米抗菌粉套用於搪瓷釉料中,生產出具有防霉、抗菌功能的滾筒洗衣機,其抗菌率高達99%以上。應該指出的是,納米抗菌粉在搪瓷釉料中使用條件較為苛刻,須在鹼性較強的液體中和高溫(900℃左右)燒瓷後仍保持很強的抗菌性能,這是其它抗菌粉望塵莫及的。將納米抗菌粉添加在內牆塗料中,生產出了具有長久抗菌防霉功能的內牆塗料。將納米抗菌粉用在婦女內褲洗滌劑、羊毛、羊絨洗滌劑、洗潔精、洗手液中,經衛生防疫部門檢測,其抗菌性能十分顯著。可以預見,隨著人們健康意識的增強,納米抗菌粉將逐漸被相關套用企業的廣大民眾所接受,在票據、醫療衛生、化學建材、家電製品、功能纖維、塑膠製品等行業中嶄露頭角。

十三、其它

1、在光學領域的套用  納米微粒套用於紅外反射材料主要是製成薄膜和多層膜來使用。納米微粒的膜材料在燈泡工業上有很好的套用前景。高壓鈉燈以及各種用於拍照、攝影的碘弧燈都要求強照明,但是燈絲被加熱後69%的能量轉化為紅外線,這就表明有相當多的電能轉化為熱能被消耗掉,僅有一少部分轉化為光能來照明,同時,燈管發熱也會影響燈具的壽命,如何提高發光效率,增加照明度一直是急待解決的關鍵問題。納米微粒的誕生為解決這個問題提供了一個新的途徑。80年代以來,科研技術人員用氣相二氧化矽和納米二氧化鈦微粒製成了多層干涉膜,總厚度為微米級,襯在燈泡罩的內壁,結果不但透光率好,而且有很強的紅外線反射能力。據專家測算同種燈光亮度下,該種燈具與傳統的鹵素燈相比,可節約15%的電能。  

2、新型有機玻璃添加劑  飛機的視窗材料常用的是有機玻璃(PMMA),當飛機在高空飛行時視窗材料經紫外線輻射易老化,造成透明度下降。為解決此問題,利用氣相二氧化矽極強的紫外反射性能,在有機玻璃生產過程中加入表面修飾後的氣相二氧化矽,生產出的產品抗紫外線輻射能力提高一倍以上,抗衝擊強度提高80%。

礦物介紹

二氧化矽廣泛存在於自然界中,與其他礦物共同構成了岩石。天然二氧化矽稱為矽石,約占地殼質量的12%,其存在形式有結晶態和無定形態兩種。石英晶體是結晶的二氧化矽,具有不同的晶型和色彩。石英中無色透明的晶體是通常所說的水晶。具有彩色環帶狀或層狀的稱為瑪瑙(含有雜質)。

二氧化矽礦物是指化學式相同(SiO₂),但結構有差異的礦物,這些礦物統稱為類質異像體,主要包括石英、方石英鱗石英。這些礦物在地球上主要存於花崗岩砂岩和黑矽岩中,而月球上幾乎缺乏,主要原因是:化學成分演化上,月球形成一個低矽、高鋁的月殼,高矽的花崗質岩石極為稀少;月球在演化上缺乏像地球一樣有一個可以結晶出二氧化矽礦物的水系和熱水體系。儘管二氧化矽礦物在月球岩石上極為稀少,但對月球岩石的分類和成因的研究具有重要的作用。

月球上的石英礦物最早是在幾塊類花崗岩碎處中發現的,在霏細岩中同時也充填了不少方石英礦物,從其微細結構和成分的分析表明,這些石英實際上是由方石英變化過來的。後來在粗晶狀的月球花崗岩碎塊中也發現有石英礦物,根據其同位素的分析結果,這些礦物是41億年左右,在較深的環境下結晶形成的,說明這些石英不是在岩漿岩形成期間結晶形成的。

月海武岩中的二氧化矽礦物絕大多數是方石英,體積百分數最多可達5%,幾乎沒有石英礦物,只有在細晶狀月海玄武岩中才存在少量的石英礦物,這些方石英具有典型的雙晶結構表明:在熔漿冷卻過程中,從高溫到低溫條件下形成的方石英都有。另外,在一些粗晶狀的月海玄武岩中也同時存在方石英和鱗石英,但從結構特徵看,方石英是由鱗石英轉變的,因為鱗石英一般是鑲嵌在於不規則的顆粒之間。

理化性質

物理性質

二氧化矽又稱矽石,化學式SiO₂。自然界中存在有結晶二氧化矽和無定形二氧化矽兩種。

沙的主要成分即二氧化矽

結晶二氧化矽因晶體結構不同,分為石英、鱗石英和方石英三種。純石英為無色晶體,大而透明稜柱狀的石英叫水晶。若含有微量雜質的水晶帶有不同顏色,有紫水晶茶晶等。普通的砂是細小的石英晶體,有黃砂(較多的鐵雜質)和白砂(雜質少、較純淨)。二氧化矽晶體中,矽原子的4個價電子與4個氧原子形成4個共價鍵,矽原子位於正四面體的中心,4個原子位於正四面體的4個頂角上,SiO₂是表示組成的最簡式,僅是表示二氧化矽晶體中矽和氧的原子個數之比。二氧化矽是原子晶體

自然界存在的硅藻土是無定形二氧化矽,是低等水生植物硅藻的遺體,為白色固體或粉末狀,多孔、質輕、鬆軟的固體,吸附性強。

不溶於水。

化學性質

化學性質比較穩定。不跟水反應。是酸性氧化物,不跟一般酸反應。氣態氟化氫跟二氧化矽反應生成氣態四氟化矽。跟熱的濃強鹼溶液或熔化的鹼反應生成矽酸鹽。跟多種金屬氧化物高溫下反應生成矽酸鹽。用於製造石英玻璃、光學儀器、化學器皿、普通玻璃、耐火材料、光導纖維陶瓷等。二氧化矽的性質不活潑,它不與除氟、氟化氫以外的鹵素、鹵化氫以及硫酸、硝酸、高氯酸作用(熱濃磷酸除外)。

常見的濃磷酸(或者說焦磷酸)在高溫下即可腐蝕二氧化矽,生成雜多酸,高溫下熔融硼酸鹽或者硼酐亦可腐蝕二氧化矽,鑒於此性質,硼酸鹽可以用於陶瓷燒制中的助熔劑,除此之外氟化氫也可以可使二氧化矽溶解的酸,生成易溶於氟矽酸: 6HF+SiO2=H₂SiF6+2H₂O

二氧化矽一般情況下不與水反應,即與水接觸不生成矽酸,但人為規定二氧化矽為矽酸的酸酐。

在大多數微電子工藝感興趣的溫度範圍內,二氧化矽的結晶率低到可以被忽略。

二氧化矽結構

儘管熔融石英不是長範圍有序,但它卻表現出短的有序結構,它的結構可認為是4個氧原子位於四面體的頂點上。多面體中心是一個矽原子。

這樣,每4個氧原子近似共價鍵合到矽原子,滿足了矽的化合價外殼。如果每個氧原子是兩個多面體的一部分,則氧的化合價也被滿足,結果就成了稱為石英的規則的晶體結構

在熔融石英中,某些氧原子,成為氧橋位,與兩個矽原子鍵合。某些氧原子沒有氧橋,只和一個

可以認為熱生長二氧化矽主要是由任意方向的多面體網路組成的。與無氧橋位相比,有氧橋的部分越大,氧化層的粘合力就越大,而且受損傷的傾向也越小。乾氧氧化層的有氧橋與無氧橋的比率遠大於濕氧氧化層。

用途

二氧化矽用於製造平板玻璃,玻璃製品,鑄造砂,玻璃纖維,陶瓷彩釉,防鏽用噴砂,過濾用砂,熔劑,耐火材料以及製造輕量氣泡混凝土。 二氧化矽的用途很廣。自然界裡比較稀少的水晶可用以製造電子工業的重要 部件、光學儀器和工藝品。 二氧化矽是製造光導纖維的重要原料。 一般較純淨的石英,可用來製造石英玻璃。石英玻璃膨脹係數很小,相當於 普通玻璃的1/18,能經受溫度的劇變,耐酸性能好(除HF外),因此,石英玻璃 常用來製造耐高溫的化學儀器。 石英砂常用作玻璃原料和建築材料。

二氧化矽是製造玻璃石英玻璃、水玻璃、光導纖維、電子工業的重要部件、光學儀器、工藝品和耐火材料的原料,是科學研究的重要材料。

當二氧化矽結晶完美時就是水晶;二氧化矽膠化脫水後就是瑪瑙;二氧化矽含水的膠體凝固後就成為蛋白石二氧化矽晶粒小於幾微米時,就組成玉髓、燧石、次生石英岩。物理性質和化學性質均十分穩定的礦產資源,晶體屬三方晶系的氧化物礦物,即低溫石英(α-石英),是石英族礦物中分布最廣的一個礦物種。廣義的石英還包括高溫石英(β-石英)。石英塊又名矽石,主要是生產石英砂(又稱矽砂)的原料,也是石英耐火材料和燒制矽鐵的原料。

食品工業用作抗結劑、消泡劑、增稠劑、助濾劑、澄清劑。我國《食品添加劑使用衛生標準》(GB2760-2011)規定:可用於蛋粉、糖粉、奶粉、可可粉、可可脂、植物性粉末、速溶咖啡、湯料粉等,最大使用量為15g/kg,粉末香精,最大使用量為80g/kg;固體飲料,最大使用量為0.2g/kg;糧食,1.2g/kg。

套用領域

玻璃

二氧化矽

平板玻璃、浮法玻璃、玻璃製品(玻璃罐玻璃瓶玻璃管等)、光學玻璃、玻璃纖維、玻璃儀器、導電玻璃、玻璃布及防射線特種玻璃等的主要原料

陶瓷及耐火材料

瓷器的胚料和釉料,窯爐用高矽磚、普通矽磚以及碳化矽等的原料

冶金

矽金屬、矽鐵合金和矽鋁合金等的原料或添加劑、熔劑

建築

混凝土、膠凝材料、築路材料、人造大理石、水泥物理性能檢驗材料(即水泥標準砂)等

化工

矽化合物和水玻璃等的原料,硫酸塔的填充物,無定形二氧化矽微粉

機械

鑄造型砂的主要原料,研磨材料(噴砂、硬研磨紙、砂紙砂布等)

電子

高純度單晶矽(非金屬)、通訊用光纖等

橡膠、塑膠

填料(可提高耐磨性)

塗料

填料(可提高塗料的耐候性)

醫學

新加坡國立大學工程學院生物工程系的研究人員研製出一種新技術,能夠通過二氧化矽納米粒子將紅外光轉化為紫外光和可見光,為深層腫瘤的非侵入性療法鋪平了道路。據稱,該技術能夠抑制腫瘤生長,控制其基因表達,是世界上首個使用納米粒子治療深層腫瘤的非侵入性光動力療法。

危害

二氧化矽在日常生活、生產和科研等方面有著重要的用途,但有時也會對人體造成危害。二氧化矽的粉塵極細,比表面積達到100m2/g以上可以懸浮在空氣中,如果人長期吸入含有二氧化矽的粉塵,就會患矽肺病(因矽舊稱為矽,矽肺舊稱為矽肺)。

矽肺是一種職業病,它的發生及嚴重程度,取決於空氣中粉塵的含量和粉塵中二氧化矽的含量,以及與人的接觸時間等。長期在二氧化矽粉塵含量較高的地方,如採礦、翻砂、噴砂、制陶瓷、制耐火材料等場所工作的人易患此病。

因此,在這些粉塵較多的工作場所,應採取嚴格的勞動保護措施,採用多種技術和設備控制工作場所的粉塵含量,以保證工作人員的身體健康。

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