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纳米二氧化硅如何进行表面改性?

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纳米二氧化硅具有粒径小、比表面积大、生物相容性好等优点,具有表面界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应等优点。

但纳米SiO2表面存在大量的活性羟基,亲水性强,容易形成团聚或二次聚集,不利于其在材料中的分散,从而影响材料的结构和性能。因此,有必要对纳米二氧化硅进行表面改性,以保证纳米二氧化硅的稳定储存,提高其在聚合物基体中的分散性。

纳米二氧化硅的表面改性方法很多,可分为物理改性和化学改性。

一、纳米二氧化硅的物理改性

纳米二氧化硅的物理改性主要是通过吸附、包覆等物理功能将改性剂吸附到纳米二氧化硅表面,改变其表面性质,从而减少团聚,提高分散稳定性。

纳米二氧化硅的物理改性剂主要有表面活性剂、金属氧化物和聚合物。

采用物理方法对纳米SiO2进行表面改性,可以制备出多种涂层材料,满足不同应用的需要。然而,由于纳米二氧化硅粒子在范德华力和静电作用下的简单吸附或包覆,使得有机相与无机相之间的相互作用较弱。当温度、pH、压力等环境条件发生变化时,会发生明显的相分离。

二、纳米二氧化硅的化学改性

纳米SiO2的化学改性主要是利用纳米SiO2表面的大量羟基与改性剂反应,降低羟基数,改变粒子表面的亲水性和疏水性,并根据需要引入不同的基团,扩大纳米SiO2的应用范围。

(1) 偶联剂改性

硅烷偶联剂是纳米二氧化硅改性中应用最广泛的偶联剂,它可以与纳米二氧化硅表面的羟基缩合形成硅氧键。

用偶联剂对纳米二氧化硅进行表面改性时,偶联剂必须经过水解才能与纳米二氧化硅反应。水解物的自缩合会阻碍水解物与二氧化硅表面羟基的反应,在一定程度上降低了偶联效率,使纳米二氧化硅的表面改性不完全。

(2) 醇酯改性

醇酯法是在高温高压下,脂肪醇与纳米二氧化硅表面的羟基反应,改变二氧化硅表面的润湿性。

与硅烷偶联剂法相比,醇酯法具有改性脂肪醇价格低、合成容易、结构易于控制等优点。但改性效果受醇烷基链长的影响,需要在高温高压下进行,对反应条件要求较高。

(3) 聚合物的接枝改性

在纳米SiO2表面以特定的方式接枝聚合物,可以有效地改善纳米粒子的疏水性,提高纳米复合材料的界面亲和力。接枝聚合物的长链结构能与基体聚合物发生链缠结,使改性更加均匀、紧凑。同时,可根据需要选择不同的接枝单体和接枝条件,使改性更具多样性和可控性。

聚合物接枝改性纳米二氧化硅按接枝方式的不同可分为“分级到”和“分级自”。

“分级到”法通常是指将末端官能化聚合物共价连接到纳米二氧化硅表面。

“分级自”的原理是利用纳米SiO2表面的大量羟基引入阳离子、阴离子或自由基等活性点,在纳米SiO2表面引发聚合反应,然后在纳米SiO2表面引发周围单体的聚合,制得聚合物生长在纳米SiO2表面。

“接枝自”法通过原位接枝预聚物链段引入聚合物,空间位阻不限制活性起始位点较小的单体分子的接枝生长,因而具有较高的接枝效率。然而,在与材料复合的过程中,纳米SiO2表面连接的长链聚合物可能发生缠结,使相邻的二氧化硅再次团聚,不利于其在聚合物中的进一步分散


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