21世纪高技术材料纳米SiOx的应用(一)

    纳米siox作为纳米材料中的重要一员,是在我国“九七三”纳米材料科学席科学家、原中科院固体物理研究所所长张立德研究员的亲自主持下,由舟山明日纳米材料有限公司于1997年初开发成功并投入批量生产,现已达百吨生产规模。经过两年多的市场开拓和应用技术开发,产品已广泛应用于电子封装材料、高分子复合材料、塑料、涂料、橡胶、颜料、陶瓷、胶粘剂、玻璃钢、药物载体、化妆品及抗菌材料等领域,为传统产品的提档升级换代带来划时代的意义。
    1    纳米siox的基本物性
    纳米siox为无定型白色粉末(指其团聚体),是一种无毒、无味、无污染的无机非金属材料。其颗粒尺寸小(为5一巧纳米),比表面积大(达640一700m2/g),表面存在不饱和的残键及不同键合状态的羟基,经高分辨电镜观测发现,其表面含有许多纳米极介孔结构,用Omnisorp100CX比表面和孔隙率分析仪测得其表面孔隙率值为0.611m1/g。因表面欠氧而偏离了稳态的硅氧结构,故分子式为siox。
     采用美国Varian公司Cary一5E分光光谱仪对纳米Siox粉体多次抽样测试,实验结果表明样品的光学反射谱重复性好:在300-800mn之间,样品的光学反射率达到85%;在280一300nm之间,样品的光学反射率为80%;在200一280之间,样品的光学反射率仍在70%一78%;对波长在800nm-1300nm的近红外反射率也达70%-80% 。
    2    纳米siox应用领域概述
    2.1    电子封装材料
    有机物电致发光器件(GELD)是目前开发研制的一种新型平面显示器件,具有开启和驱动电压低,且可直流电压驱动,可与规模集成电路相匹配,易实现全彩色化,发光亮度高(>105cd/m2)等优点。但OELD器件使用寿命还不能满足应用要求,其中需要解决的技术难点之一就是器件的封装材料和封装技术。目前,国外(日、美、欧等)广泛采用有机硅改性环氧树脂,即通过两者之间的共混、共聚或接枝反应而达到既能降低环氧树脂内应力又能形成分子内增韧,提高耐高温性能,同时也提高有机硅的防水、防油、抗氧性能。但其需要的固化时间较长(几个小时到几天),要加快固化反应,需要在较高温度(60℃至100℃以上)或增大固化剂的使用量,这不但增加成本,而且还难于满足大规模器件生产线对封装材料的要求(时间短、室温封装)。将经表面活性处理后的纳米Si0x,充分分散在有机硅改性环氧树脂封装胶基质中,可以大幅度地缩短封装材料固化时间(为2.0一2.5小时),且固化温度可降低到室温,使OELD器件密封性能得到显著提高,增加GELD器件的使用寿命。
    2.2    树脂基复合材料
    树脂基复合材料具有轻质、高强、耐腐蚀等特点,但近年来材料界和国民经济支柱产业对树脂基材料使用性能的要求越来越高,如何合成高性能的树脂基复合材料已成为当前材料界和企业界的重要课题。纳米Siox问世,为树脂基复合材料的合成提供了新的机遇,为传统树脂基材料的改性提供了一条新的途径,只要能将纳米Siox颗粒充分、均匀地分散到树脂材料中,完全能达到全面改善树脂基材料性能的目的。
    提高强度和延伸率。环氧树脂是基本的树脂材料,把纳米Siox添加到环氧树脂中,在结构上完全不同于粗晶Si0x添加的环氧树脂基复合材料,粗晶SiO2一般作为补强剂加入,它主要分布在高分子材料的链间中,而纳米Siox由于表面严重的配位不足、庞大的比表面积以及表面欠氧等特点,使它表现出极强的活性,很容易和环氧环状分子的氧起键合作用,提高了分子间的键力,同时尚有一部分纳米Siox颗粒仍然分布在高分子链的空隙中,与粗晶SiO2颗粒相比较,表现很高的流涟性,从而使纳米Siox添加的环氧树脂材料强度、韧性、延展性均大幅度提高。
    提高耐磨性和改善材料表面的光洁度。纳米Siox颗粒是粗晶Si02的1‰-1%,将其添加到环氧树脂中,有利于拉成丝。由于纳米Siox的高流动性和小尺寸效应,使材料表面更加致密细洁,摩擦系数变小,加之纳米颗粒的高强度,使材料的耐磨性大大增强。
    抗老化性能。环氧树脂基复合材料使用过程中一个致命的弱点是抗老化性能差,其原因主要是太阳辐射的280一400nm波段的紫外线中、长波作用,它对树脂基复合材料的破坏作用是十分严重的,高分子链的降解致使树脂基复合材料迅速老化。而纳米Siox可以强烈地反射紫外线,加入到环氧树脂中可大大减少紫外线对环氧树脂的降解作用,从而达到延缓材料老化的目的。
    2.3    塑料
    利用纳米Siox透光、粒度小,可以使塑料变得更加致密。浙江宁波乐兴包装材料有限公司在聚苯乙烯塑料薄膜中添加Siox后,不但提高其透明度、强度、韧性,而且防水性能和抗老化性能也明显提高。山东蓬莱正业发展有限公司通过在普通塑料聚氯乙烯中添加少量纳米Siox后生产出的塑钢门窗硬度、光洁度和抗老化性能均大幅提高,综合性能达到国内先进水平。浙江嵊州铁道配件厂大胆出新,利用纳米Siox对普通塑料聚丙烯进行改性,现主要技术指标(吸水率、绝缘电阻、压缩残余变形、挠曲强度等)均达到或超过工程塑料尼龙6的性能指标,实现了聚丙烯铁道配件替代尼龙6使用,产品成本大幅下降,其经济效益和社会效益十分显著。