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1、認(rèn)識(shí)氣相二氧化硅
氣相二氧化硅（氣相法白炭黑），是由鹵硅烷在氫氧火焰中高溫水解得到的一種無定形粉末，是一種高純、無色、無味的無機(jī)粉體材料。
氣相二氧化硅具有原生粒徑小、純度高（大于99.8%）、比表面積高（通常介于100～400m2/g）、絕緣系數(shù)和絕熱系數(shù)低，以及表面具有高活性羥基等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到硅橡膠、涂料油墨、不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂、阻燃塑料、隔熱板、機(jī)械拋光等領(lǐng)域，起到補(bǔ)強(qiáng)、增稠、觸變、阻燃、隔熱等作用。此外，氣相法二氧化硅還有其它諸多應(yīng)用，如應(yīng)用于電解質(zhì)中以改善動(dòng)力鉛酸蓄電池的性能、將介孔二氧化硅納米顆粒應(yīng)用于光學(xué)診療中等。
氣相法二氧化硅的結(jié)構(gòu)模型
2、產(chǎn)業(yè)發(fā)展背景
氣相二氧化硅是由德國Degussa（Evonik前身）公司的HarryKloepfer于1942年率先合成。國外氣相二氧化硅產(chǎn)業(yè)在20世紀(jì)90年代就已經(jīng)得到充分的發(fā)展壯大，形成了德國Degussa、德國wacker和美國Cabot為主體的跨國氣相二氧化硅產(chǎn)業(yè)。我國于1964年在沈陽化工首先試驗(yàn)成功，并于1966年投入大生產(chǎn)。此后30多年我國氣相二氧化硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展極其緩慢，到2001年也僅有沈陽化工和上海氯堿兩家企業(yè)生產(chǎn)。2002年，廣州吉必時(shí)公司（現(xiàn)為廣州吉必盛）成為我國第三家可以規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)氣相二氧化硅的企業(yè)，從此，我國氣相二氧化硅產(chǎn)業(yè)真正步入發(fā)展的快車道。經(jīng)過20年的發(fā)展，我國氣相二氧化硅產(chǎn)業(yè)已經(jīng)頗具規(guī)模，具備了國際競爭力。
3、氣相二氧化硅制備技術(shù)
氣相法二氧化硅主要應(yīng)用化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)，通常稱其熱解法。該技術(shù)有兩個(gè)步驟：1）進(jìn)入合成水解爐之前，原料中的氫氣和氧氣必須進(jìn)行加壓，然后再經(jīng)過分離、冷卻、脫水、硅膠干燥、除塵和過濾等一系列操作。2）四氯化硅通過蒸餾塔進(jìn)行蒸餾，并在蒸發(fā)器中進(jìn)行加熱和蒸發(fā)等操作。干燥和過濾后的空氣被用作載體。高溫氣化后，原料在高溫下進(jìn)行反應(yīng)。高溫反應(yīng)生成的白炭黑十分細(xì)小，收集不方便。由于生成了氣溶膠，因此要借助其他附加操作使其形成較大的顆粒，以利于收集。顆粒最后進(jìn)入脫酸爐中，經(jīng)過洗滌后得到二氧化硅。
SiCl4+2H2+O2→SiO2+4HCl
目前，國外氣相二氧化硅生產(chǎn)企業(yè)普遍采用單線近萬噸級(jí)產(chǎn)能技術(shù)，而我國技術(shù)領(lǐng)先的企業(yè)單線產(chǎn)能已經(jīng)接近了國外水平。同時(shí)，在產(chǎn)品質(zhì)量上，親水氣相二氧化硅通用牌號(hào)產(chǎn)品與國外產(chǎn)品質(zhì)量也基本接近，但是在高牌號(hào)和高分散產(chǎn)品上還與國外有一定差距。
4、氣相二氧化硅表面改性
常見的二氧化硅表面改性方法包括化學(xué)方法、物理方法和生物方法等�；瘜W(xué)方法主要通過改變二氧化硅表面的化學(xué)官能團(tuán)、改變表面電荷等手段實(shí)現(xiàn)表面改性。物理方法包括等離子體處理、光化學(xué)處理、溶液化學(xué)氧化等，可以通過改變表面形態(tài)、結(jié)構(gòu)、粒徑等手段實(shí)現(xiàn)表面改性。生物方法則是利用生物分子對(duì)白炭黑表面進(jìn)行修飾，實(shí)現(xiàn)表面改性。其中，化學(xué)方法是最常用的方法之一，包括偶聯(lián)劑改性、表面接枝改性、醇、酸改性、離子液改性及聚合物包覆改性等。
表面化學(xué)改性法中偶聯(lián)劑改性可以減弱二氧化硅之間的團(tuán)聚作用，具有改性效果好、反應(yīng)可控性高等優(yōu)點(diǎn)。目前硅烷偶聯(lián)劑、硅氧烷偶聯(lián)劑和硅氮烷偶聯(lián)劑等偶聯(lián)劑應(yīng)用較為廣泛，其中硅烷偶聯(lián)劑是二氧化硅改性中較為常用的改性劑之一。
表面改性的疏水氣相二氧化硅是氣相二氧化硅領(lǐng)域的高附加值產(chǎn)品，進(jìn)入20世紀(jì)，我國逐漸通過自我技術(shù)創(chuàng)新突破了國外技術(shù)封鎖，建立了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的疏水生產(chǎn)線，特別是2015年之后，我國氣相二氧化硅表面疏水改性技術(shù)取得了快速的進(jìn)步，其產(chǎn)品種類逐漸豐富，目前可以生產(chǎn)十余種疏水產(chǎn)品，極大帶動(dòng)了下游新材料領(lǐng)域的快速增長。雖然我國在表面疏水改性氣相二氧化硅領(lǐng)域取得了一定的進(jìn)步，但是不論產(chǎn)能規(guī)模還是產(chǎn)品質(zhì)量仍然與國外有不小的差距，需要進(jìn)一步迎頭趕上。
2024年10月30日在上�？鐕少彆�(huì)展中心，由北京粉體技術(shù)協(xié)會(huì)與柏德英思展覽(上海)有限公司聯(lián)合主辦“2024粉體分散、改性、包覆技術(shù)研討會(huì)”。屆時(shí)廣州匯富研究院有限公司正高級(jí)工程師段先健作《氣相二氧化硅的表面改性技術(shù)及其應(yīng)用》報(bào)告，為參會(huì)嘉賓講解氣相二氧化硅的制備方法及特性、表面改性技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展及應(yīng)用等一系列內(nèi)容。
專家介紹
段先健，廣州匯富研究院有限公司副總經(jīng)理，工學(xué)博士，正高級(jí)工程師。長期從事氣相法納米粉體制備、表面改性及應(yīng)用研究，在超細(xì)粉體的制備及應(yīng)用方面申請國家發(fā)明專利30余項(xiàng)，申請國際專利3項(xiàng)，獲得國家專利優(yōu)秀獎(jiǎng)2項(xiàng)。參與多項(xiàng)國際、國家及團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作；參與10余項(xiàng)國家、省、市科技項(xiàng)目的研究，榮獲中石化聯(lián)合會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、廣東省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)、湖北省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)、廣州市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)等榮譽(yù)。
參考文獻(xiàn)
龍金芬，白炭黑制備的研究進(jìn)展，六盤水師范學(xué)院
段先健，氣相二氧化硅產(chǎn)業(yè)及其標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展，廣州匯富研究院有限公司
趙文超，二氧化硅微球制備方法研究進(jìn)展，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所
朱恩偉，氣相法二氧化硅生產(chǎn)中的關(guān)鍵問題概述，沈陽化工股份有限公司
(中國粉體網(wǎng)編輯整理/昧光)
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