在工业制造中,气硅(气相二氧化硅/气相法白炭黑、纳米二氧化硅,消光粉以及气凝胶等基于二氧化硅的衍生材料都有着广泛的应用,它们在多个行业发挥着重要作用。它们彼此之间有很多的相似之处,都是来源于硅基材料, 但在结构、特性和应用上存在显著差异。
 
 1  气硅

1.1 基本介绍

气硅一般是以四氯化硅(SiCl₄)等氯硅烷为主要原料,这不同于其他三者材料。四氯化硅通过高温火焰水解法生产的一种无定形二氧化硅,其原生粒径为纳米级(7~40 nm),但团聚后形成微米级聚集体。

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1.2 主要特性与应用

气硅的作用最多,在涂料体系中应用最为成熟,主要提供以下功能:

  • 增稠、触变、防沉:这是选择气硅的首要原因。

  • 补强、提升着色、助磨、改善粉体流动性等辅助作用。

除涂料体系中的流变调节外,气硅的另一重要应用方向是纳米微孔保温/绝热板

  • 纳米微孔绝热板(非真空型) :将气相二氧化硅与红外遮光剂(如碳化硅、二氧化钛、炭黑等)、增强纤维(如玻璃纤维、陶瓷纤维)及无机粘合剂混合,通过模压成型制成刚性纳米孔绝热板,孔隙率可达90%以上,孔隙直径控制在50100 nm之间。

  • 气硅真空绝热板(VIP,Vacuum Insulation Panel) :以气相二氧化硅为芯材,外覆高阻隔薄膜(由尼龙、镀铝PET、PE等多层复合),经抽真空封装制成

1.3 气硅分为亲水型疏水型

疏水型通过对表面进行有机改性(如硅烷、硅油等处理)获得,其疏水程度常用含碳量衡量。含碳量越高,疏水性越强,在非极性体系中的分散难度增大,黏度贡献也更显著。

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经过不同的疏水物质改性,可以得到不同疏水等级(以含碳量为指标)的疏水气硅,不同疏水等级的气硅在配方中表现出的触变性特性,主要是由疏水气硅表面的氢键作用来体现。

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在疏水气硅的选择中, 碳含量越高,气硅越疏水,其分散的程度更难,在同样的溶剂和树脂体系中,其粘度表现越大。

 

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1.4 气硅的分散难点

  • 气硅是纳米级,非常轻,容易引起粉尘

  • 疏水气硅表面经过疏水处理,这让他更难在水性体系浸润和分散,也会加剧粉尘污染和降低生产效率、引起职业健康等问题,尤其是在消泡剂生产、粘合剂生产、水性涂料等大量使用疏水气硅的场合。

  • 即使通过外力机械作用分散带入,也容易造成结团,分散不均匀,分撒效率低时间长的问题。

 

 2  纳米二氧化硅

纳米二氧化硅的本质还是SiO2,是指粒径在1~100 nm之间的晶型无机粉体,可以理解为是SiO2的纳米化(可能有的厂家也会作一些表面改性)。该材料可通过沉淀法、溶胶-凝胶法或气相法(此时与气硅重叠,但通常“纳米二氧化硅”指经表面修饰或分散好的纳米溶胶/粉末,与气硅在聚集状态、表面基团密度上有区别)制备。

独特性质

众所周知,材料一旦到纳米级,很多特性都会发生变化,尤其是光学性质:
  • 光学性能:对紫外线有较强吸收,能提高其他材料抗老化、强度和耐化学性能

  • 大比表面积:可作为催化剂载体、吸附材料,并提高复合材料的强度与耐化学性。

  • 形态:无定形白色粉末,无毒无味,微观呈球形或絮状、网状准颗粒结构。
纳米二氧化硅已广泛应用于塑料、橡胶、电子封装、生物医药、化妆品等领域。
 

 3  消光粉

消光粉,常用的以不定型二氧化硅为主,二氧化硅类消光剂其微观结构呈多孔、不定形或玻璃状,具有高比表面积和孔隙率,能在涂膜中形成微粗糙表面,促使光线发生漫反射,从而实现消光效果。以沉淀法、凝胶法或者气相法生产,粒径为微米级,粒径分布较宽(多为2~12 μm)(不像气硅为纳米级)。

分类与改性:

  • 未改性消光粉:消光效率高,但沉降稳定性差,易沉淀。

  • 表面改性消光粉

    • 有机改性(如蜡处理):改善悬浮性、抗划伤性和手感。

    • 无机改性:提升分散性及涂层耐性。

 

与气硅相比,消光粉的粒径更大且不均匀这样才能达到很好的消光消光。

 

 4  硅气凝胶

气凝胶是目前世界上最轻、隔热性能最好的固态材料,最初被广泛应用于航空航天、军事工业等高端技术领域。气凝胶有很多种介质,比如碳气凝胶、硅气凝胶,铝气凝胶,甚至任何材料都可以是气凝胶的主要成分。目前,商业应用最好的是硅气凝胶,即二氧化硅气凝胶。

气凝胶的原料多采用正硅酸乙酯(TEOS)、水玻璃为了提高产品纯度,主要采用正硅酸乙酯(TEOS)(一种有机硅化合物)。生产过程中,以醇盐、硅酸钠为前驱体,经溶胶-凝胶后,再进行老化、疏水处理(例如使用三甲基氯硅烷),最后通过超临界干燥(或常压干燥)去除溶剂,保持骨架不坍塌。

 

应用领域

早期主要用于航空航天、军事等高精尖领域,现已拓展至建筑保温、工业管道、锂电池隔热、催化载体、气体吸附等民用领域。

 
资料来源:以化高科
【技术理论】气硅、纳米二氧化硅,消光粉,气凝胶的区别与应用
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气凝胶企业产业链从成胶,封装,到电池包、储能、轨道交通、建筑、管道等下游应用,从材料的前驱体到各种纤维如陶瓷纤维,玻璃纤维,泡棉等,以及封装材料如PET、PI膜,热熔胶、硅胶框等,同时也包括在生产过程中的设备,如超临界设备,热压机,模切设备。
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作者 ab, 808