21世紀高技術材料納米SiOx的應用(一)

    納米siox作為納米材料中的重要一員,是在我國“九七三”納米材料科學席科學家、原中科院固體物理研究所所長張立德研究員的親自主持下,由舟山明日納米材料有限公司于1997年初開發成功并投入批量生產,現已達百噸生產規模。經過兩年多的市場開拓和應用技術開發,產品已廣泛應用于電子封裝材料、高分子復合材料、塑料、涂料、橡膠、顏料、陶瓷、膠粘劑、玻璃鋼、藥物載體、化妝品及抗菌材料等領域,為傳統產品的提檔升級換代帶來劃時代的意義。
    1    納米siox的基本物性
    納米siox為無定型白色粉末(指其團聚體),是一種無毒、無味、無污染的無機非金屬材料。其顆粒尺寸?。?一巧納米),比表面積大(達640一700m2/g),表面存在不飽和的殘鍵及不同鍵合狀態的羥基,經高分辨電鏡觀測發現,其表面含有許多納米極介孔結構,用Omnisorp100CX比表面和孔隙率分析儀測得其表面孔隙率值為0.611m1/g。因表面欠氧而偏離了穩態的硅氧結構,故分子式為siox。
     采用美國Varian公司Cary一5E分光光譜儀對納米Siox粉體多次抽樣測試,實驗結果表明樣品的光學反射譜重復性好:在300-800mn之間,樣品的光學反射率達到85%;在280一300nm之間,樣品的光學反射率為80%;在200一280之間,樣品的光學反射率仍在70%一78%;對波長在800nm-1300nm的近紅外反射率也達70%-80% 。
    2    納米siox應用領域概述
    2.1    電子封裝材料
    有機物電致發光器件(GELD)是目前開發研制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,可與規模集成電路相匹配,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應用要求,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、歐等)廣泛采用有機硅改性環氧樹脂,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,同時也提高有機硅的防水、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,而且還難于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)。將經表面活性處理后的納米Si0x,充分分散在有機硅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2.0一2.5小時),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GELD器件的使用壽命。
    2.2    樹脂基復合材料
    樹脂基復合材料具有輕質、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復合材料已成為當前材料界和企業界的重要課題。納米Siox問世,為樹脂基復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,只要能將納米Siox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。
    提高強度和延伸率。環氧樹脂是基本的樹脂材料,把納米Siox添加到環氧樹脂中,在結構上完全不同于粗晶Si0x添加的環氧樹脂基復合材料,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,而納米Siox由于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,同時尚有一部分納米Siox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,從而使納米Siox添加的環氧樹脂材料強度、韌性、延展性均大幅度提高。
    提高耐磨性和改善材料表面的光潔度。納米Siox顆粒是粗晶Si02的1‰-1%,將其添加到環氧樹脂中,有利于拉成絲。由于納米Siox的高流動性和小尺寸效應,使材料表面更加致密細潔,摩擦系數變小,加之納米顆粒的高強度,使材料的耐磨性大大增強。
    抗老化性能。環氧樹脂基復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280一400nm波段的紫外線中、長波作用,它對樹脂基復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復合材料迅速老化。而納米Siox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。
    2.3    塑料
    利用納米Siox透光、粒度小,可以使塑料變得更加致密。浙江寧波樂興包裝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、強度、韌性,而且防水性能和抗老化性能也明顯提高。山東蓬萊正業發展有限公司通過在普通塑料聚氯乙烯中添加少量納米Siox后生產出的塑鋼門窗硬度、光潔度和抗老化性能均大幅提高,綜合性能達到國內先進水平。浙江嵊州鐵道配件廠大膽出新,利用納米Siox對普通塑料聚丙烯進行改性,現主要技術指標(吸水率、絕緣電阻、壓縮殘余變形、撓曲強度等)均達到或超過工程塑料尼龍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。