2017-07-31 13:54:40

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二氧化硅(化学式:SiO₂)是一种酸性氧化物,对应水化物为硅酸(H₂SiO₃)。二氧化硅是硅最重要的化合物之一。地球上存在的天然二氧化硅约占地壳质量的12%,其存在形态有结晶型和无定型两大类,统称硅石。

基本信息

  • 中文名

    二氧化硅

  • 化学式

    SiO₂

  • 相对分子质量

    60.08

  • 化学品类别

    非金属氧化物

  • 是否管制

  • 熔    点

    1650(±50)℃

  • 沸    点

    2230℃

  • 溶解度

    0.012g/100ml(水中)

折叠 编辑本段 基本简介

二氧化硅(化学式:SiO₂)是一种酸性氧化物,对应水化物为硅酸(H₂SiO₃)。二氧化硅是硅最重要的化合物。地球上存在的天然二氧化硅约占地壳质量的12%,其存在形态有结晶形和无定形两大类,统称硅石。

折叠 编辑本段 基本性质

物理性质

[1]二氧化硅又称硅石,化学式SiO₂。自然界中存在有结晶二氧化硅和无定形二氧化硅两种。结晶二氧化硅因晶体结构不同,分为石英、鳞石英和方石英三种。纯石英为无色晶体,大而透明棱柱状的石英叫水晶。若含有微量杂质的水晶带有不同颜色,有紫水晶茶晶、墨晶等。普通的砂是细小的石英晶体,有黄砂(较多的铁杂质)和白砂(杂质少、较纯净)。二氧化硅晶体中,硅原子的4个价电子与4个氧原子形成4个共价键,硅原子位于正四面体的中心,4个原子位于正四面体的4个顶角上,许多个这样的四面体又通过顶角的氧原子相连,每个氧原子为两个四面体共有,即每个氧原子与两个硅原子相结合。SiO₂是表示组成的最简式,仅是表示二氧化硅晶体中硅和氧的原子个数之比。二氧化硅是原子晶体。

SiO₂中Si—O键的键能很高,熔点、沸点较高(熔点1723℃,沸点2230℃)。折射率大约为1.6.

各种二氧化硅产品的折射率为:石英砂为1.547;粉石英为1.544;脉石英为1.542;硅藻土为1.42~1.48;气相白炭黑为1.46;沉淀白炭黑为1.46。

自然界存在的硅藻土是无定形二氧化硅,是低等水生植物硅藻的遗体,为白色固体或粉末状,多孔、质轻、松软的固体,吸附性强。

化学性质

化学性质比较稳定。不溶于水也不跟水反应。是酸性氧化物,不跟一般酸反应。气态氟化氢跟二氧化硅反应生成气态四氟化硅。跟热的浓强碱溶液或熔化的碱反应生成硅酸盐和水。跟多种金属氧化物在高温下反应生成硅酸盐。用于制造石英玻璃、光学仪器、化学器皿、普通玻璃、耐火材料、光导纤维陶瓷等。二氧化硅的性质不活泼,它不与除氟、氟化氢以外的卤素、卤化氢以及硫酸、硝酸、高氯酸作用(热浓磷酸除外)。常见的浓磷酸(或者说焦磷酸)在高温下即可腐蚀二氧化硅,生成杂多酸[2],高温下熔融硼酸盐或者硼酐亦可腐蚀二氧化硅,鉴于此性质,硼酸盐可以用于陶瓷烧制中的助熔剂,除此之外氟化氢也可以可使二氧化硅溶解的酸,生成易溶于水的氟硅酸: SiO₂ + 4HF = SiF4↑ + 2H₂O

酸氧通性

二氧化硅与碱性氧化物

SiO₂ + CaO =(高温) CaSiO₃二氧化硅能溶于浓热的强碱溶液:

SiO₂ + 2NaOH = Na₂SiO₃+ H₂O

(盛碱的试剂瓶不能用玻璃塞而用橡胶塞的原因)

在高温下,二氧化硅能被碳、镁、铝还原:

SiO₂+2C=(高温)Si+2CO↑

SiO₂+2Mg=(高温)Si+2MgO

3SiO₂+4Al=(高温)3Si+2Al₂O₃↑

若c过量,则发生反应:

Si+C=高温=SiC(金刚砂)

硅酸酸酐

二氧化硅(SiO₂)。 

二氧化硅不与水反应,即与水接触不生成硅酸,但人为规定二氧化硅为硅酸的酸酐。

折叠 编辑本段 基本用途

二氧化硅是制造玻璃、石英玻璃、水玻璃、光导纤维、电子工业的重要部件、光学仪器、工艺品和耐火材料的原料,是科学研究的重要材料。

二氧化硅的用途 :平板玻璃,玻璃制品,铸造砂,玻璃纤维,陶瓷彩釉,防锈用喷砂,过滤用砂,熔剂,耐火材料以及制造轻量气泡混凝土(Autoclaved Lightweight Concrete)。 二氧化硅的用途很广。自然界里比较稀少的水晶可用以制造电子工业的重要 部件、光学仪器和工艺品。 二氧化硅是制造光导纤维的重要原料。 一般较纯净的石英,可用来制造石英玻璃。石英玻璃膨胀系数很小,相当于 普通玻璃的1/18,能经受温度的剧变,耐酸性能好(除HF外),因此,石英玻璃 常用来制造耐高温的化学仪器。 石英砂常用作玻璃原料和建筑材料。[3]

折叠 编辑本段 生态学数据

通常对水是不危害的,若无政府许可,勿将材料排入周围环境。

折叠 编辑本段 合成方法

[5]1.离子交换法∶将稀释的水玻璃过滤除杂质后经阳离子交换,阴离子交换,调节pH值,经蒸发或超滤浓缩,制得硅溶胶。

2. 硅粉法∶蒸馏水及氢氧化钠(试剂级)加到反应槽中,升温至65℃,加入一定量的氨水调整碱度,在搅拌下分批加入硅粉,控制温度在8.3℃以下,硅粉加完后继续搅拌2~3h,待pH值降至9~10时,取样分析,反应完成后在搅拌下冷却至50℃,经自然过滤,制得硅溶胶产品。未反应的硅粉可回收再用。

3.硫酸法∶将稀释的水玻璃与稀硫酸混合于20~30℃进行反应制得硅凝胶,老化4h,用2%~2.5%的稀硫酸浸泡1h,用40~50℃的水洗涤,在转筒烘干器中脱水至含水量≤80%,经烘干至水分含量≤10%,置于500~550℃活化炉中活化,经筛选制得粗孔微球硅胶。

4.炼制生铁时,废渣中含有二氧化硅。

折叠 编辑本段 危险属性

WGK Germany 2

RTECS号VV7310000

TSCA Yes[4]

玻璃及玻璃刻字

平板玻璃、浮法玻璃、玻璃制品(玻璃罐、玻璃瓶等)、光学玻璃、玻璃纤维玻璃仪器、导电玻璃、玻璃布及防射线特种玻璃等的主要原料。

特殊用途:玻璃刻字:先在玻璃瓶上涂一层石蜡,再用锐器刻上字,再用氢氟酸在刻字的蜡上涂抹一遍,.稍等片刻字迹即可显现出来。原理:氢氟酸腐蚀二氧化硅

陶瓷及耐火材料

瓷器的胚料和釉料,窑炉用高硅砖、普通硅砖以及碳化硅等的原料。

冶金

硅金属、硅铁合金和硅铝合金等的原料或添加剂、熔剂。

建筑

混凝土、胶凝材料、筑路材料、人造大理石、水泥物理性能检验材料(即水泥标准砂)等。

化工

化合物和水玻璃等的原料,硫酸塔的填充物,无定形二氧化硅可作为吸附剂来使用。

机械

铸造型砂的主要原料,研磨材料(喷砂、硬研磨纸、砂纸、砂布等)。.

电子

高纯度金属硅、通讯用光纤等。

在微电子工艺中, SiO 2 薄膜因其优越的电绝缘性和工艺的可行性而被广泛采用。在半导体器件中, 利用SiO 2 禁带宽度可变的特性, 可作为非晶硅太阳电池的薄膜光吸收层, 以提高光吸收效率; 还可作为金属2氮化物2氧化物2半导体(MN SO ) 存储器件中的电荷存储层, 集成电路中CMOS 器件和SiGeMOS 器件以及薄膜晶体管(TFT ) 中的栅介质层等。此外, 随着大规模集成电路器件集成度的提高, 多层布线技术变得愈加重要, 如逻辑器件的中间介质层将增加到4~ 5 层, 这就要求减小介质层带来的寄生电容。鉴于此, 现在很多研究者都对低介电常数介质膜的种类、制备方法和性能进行了深入研究。对新型低介电常数介质材料的要求是: 在电性能方面具有低损耗和低耗电; 在机械性能方面具有高附着力和高硬度; 在化学性能方面要求耐腐蚀和低吸水性; 在热性能方面有高稳定性和低收缩性。目前普遍采用的制备介质层的SiO 2, 其介电常数约为4. 0, 并具有良好的机械性能。如用于硅大功率双极晶体管管芯平面和台面钝化, 提高或保持了管芯的击穿电压, 并提高了晶体管的稳定性。这种技术, 完全达到了保护钝化器件的目的, 使得器件的性能稳定、可靠, 减少了外界对芯片沾污、干扰, 提高了器件的可靠性能。

20 世纪80 年代末期, Si 基SiO₂光波导无源和有源器件的研究取得了长足的发展, 使这类器件不仅具有优良的传导特性, 还将具备光放大、发光和电光调制等基本功能, 在光学集成和光电集成器件方面很有应用前景, 可作为波导膜、减反膜和增透膜。随着光通信及集成光学研究的飞速发展, 玻璃薄膜光波导被广泛应用于光无源器件及集成光路中。制备性能良好的用作光波导的薄膜显得至关重要。集成光路中光波导的一般要求: 单模传输、低传输损耗、同光纤耦合效率高等。波导损耗来源主要分为材料吸收、基片损耗、散射损耗三部分。通过选用表面粗糙度高、平整的光学用玻璃片或预先溅射足够厚的SiO₂薄膜的普通玻璃基片, 使波导模瞬间场分布远离粗糙表面,以减少基底损耗。激光器用减反膜的研究也取得了很大的进展。中国工程物理研究院与化学所用溶胶凝胶法成功地研制出紫外激光SiO2 减反膜。结果表明, 浸入涂膜法制备的多孔SiO2 薄膜比早期的真空蒸发和旋转涂膜法制备的SiO₂薄膜有更好的减反射效果。在波长350nm 处的透过率达到98%以上, 紫外区的最高透过率达到99%以上。该SiO₂薄膜有望用于惯性约束聚变( ICF) 和X 光激光研究的透光元件的减反射膜。目前在溶胶凝胶工艺制备保护膜、增透膜方面也取得了一些进展。此法制备的SiO₂光学薄膜在惯性约束聚变的激光装置中已成为一种重要的手段,广泛地应用于增透光学元件上, 如空间滤波器、窗口、靶室窗口或打靶透镜。在谐波转换元件KDP晶体上用溶胶工艺镀制保护、增透膜,能改善KDP 晶体的工作条件,提高谐波光束的质量与可聚焦功率。

橡胶、塑料

在橡胶中添加二氧化硅,可提高橡胶的耐磨度。

可降低轮胎滚动阻力的同时可改善轮胎的耐磨性和抗湿滑性。

使用二氧化硅的胶料拉伸强度、撕裂强度、耐磨性等均有提高。

涂料

填料(可提高涂料的耐候性)、可用来生产消光剂,亦可以作为涂料增稠剂。

食品、药品

在食品工业中主要用于防止粉状食品聚集结块,以保持自由流动的一类食品添加剂或用于吸附液态的香料、油脂、维生素等,使之成为粉末状,如粉末油脂、固体香料和固体酒之类制品。(例:奶粉)

在药品生产中可作为助流剂、催化剂载体等。

折叠 编辑本段 相关危害

二氧化硅在日常生活、生产和科研等方面有着重要的用途,但有时也会对人体造成危害。二氧化硅的粉尘极细,比表面积达到100㎡/g以上可以悬浮在空气中,如果人长期吸入含有二氧化硅的粉尘,就会患硅肺病(因硅旧称为矽,硅肺旧称为矽肺)。

硅肺是一种职业病,它的发生及严重程度,取决于空气中粉尘的含量和粉尘中二氧化硅的含量,以及与人的接触时间等。长期在二氧化硅粉尘含量较高的地方,如采矿、翻砂、喷砂、制陶瓷、制耐火材料等场所工作的人易患此病。

折叠 编辑本段 应用

气相二氧化硅是极其重要的高科技超微细无机新材料之一,由于其粒径很小,因此比表面积大,表面吸附力强,表面能大,化学纯度高、分散性能好、热阻、电阻等方面具有特异的性能,以其优越的稳定性、补强性、增稠性和触变性,在众多学科及领域内独具特性,有着不可取代的作用。气相二氧化硅俗称“超微细白炭黑”,广泛用于各行业作为添加剂、催化剂载体,石油化工,脱色剂,消光剂,橡胶补强剂,塑料充填剂,油墨增稠剂,金属软性磨光剂,绝缘绝热填充剂,高级日用化妆品填料及喷涂材料、医药、环保等各种领域。并为相关工业领域的发展提供了新材料基础和技术保证。由于它在磁性、催化性、光吸收、热阻和熔点等方面与常规材料相比显示出特异功能,因而得到人们的极大重视。

一、电子封装材料

有机物电致发光器材(OELD)是目前新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、欧洲等)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气相二氧化硅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2.0-2.5h),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OELD器件的使用寿命。

二、树脂复合材料

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。气相二氧化硅的问世,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,只要能将气相二氧化硅颗粒充分、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。

1、提高强度和延伸率。环氧树脂是基本的树脂材料,把气相二氧化硅添加到环氧树脂中,在结构上完全不同于粗晶二氧化硅(白炭黑等)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,而气相二氧化硅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,同时尚有一部分气相二氧化硅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,从而使气相二氧化硅添加的环氧树脂材料强度、韧性、延展性均大幅度提高。

2、提高耐磨性和改善材料表面的光洁度。气相二氧化硅颗粒比SiO2要小100—1000倍,将其添加到环氧树脂中,有利于拉成丝。由于气相二氧化硅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。  

3、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—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。而气相二氧化硅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。 

三、塑料

利用气相二氧化硅透光、粒度小,可以使塑料变得更加致密,在聚苯乙烯塑料薄膜中添加二氧化硅后,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。通过在普通塑料聚氯乙烯中添加少量气相二氧化硅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。利用气相二氧化硅对普通塑料聚丙烯进行改性,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。

四、涂料

我国是涂料生产和消费大国,但当前国产涂料普遍存在着性能方面的不足,诸如悬浮稳定性差、触变性差、耐候性差、耐洗刷性差等,致使每年需进口大量高质量的涂料。上海、北京、杭州、宁波等地的一些涂料生产企业敢于创新,成功地实现了气相二氧化硅在涂料中的应用,这种纳米改性涂料一改以往产品的不足,经检测其主要性能指标除对比率不变外,其余均大幅提高,如外墙涂料的耐洗刷性由原来的一千多次提高到一万多次,人工加速气候老化和人工辐射暴露老化时间由原来的250小时(粉化1级、变色2级)提高到600小时(无粉化,漆膜无变色,色差值4.8),此外涂膜与墙体结合强度大幅提高,涂膜硬度显著增加,表面自洁能力也获得改善。  

五、橡胶

橡胶是一种伸缩性优异的弹性体,但其综合性能并不令人满意,生产橡胶制品过程中通常需在胶料中加入炭黑来提高强度、耐磨性和抗老化性,但由于炭黑的加入使得制品均为黑色,且档次不高。而气相二氧化硅在我国的问世为生产出色彩新颖、性能优异的新一代橡胶制品奠定了物质基础。  在普通橡胶中添加少量气相二氧化硅后,产品的强度、耐磨性和抗老化性等性能均达到或超过高档橡胶制品,而且可以保持颜色长久不变。纳米改性彩色三元乙丙防水卷材,其耐磨性、抗拉强度、抗折性、抗老化性能均提高明显,且色彩鲜艳,保色效果优异。彩色轮胎的研制工作也取得了一定的进展,如轮胎侧面胶的抗折性能由原来的10万次提高到50万次以上,有望在不久的将来,实现国产汽车、摩托车轮胎的彩色化。

六、颜(染)料

有机颜(染)料虽具有鲜艳的色彩和很强的着色力,但一般耐光、耐热、耐溶剂和耐迁移性能往往不及无机颜料。通过添加气相二氧化硅对有机颜(染)料进行表面改性处理,不但使颜(染)料抗老化性能大幅提高,而且亮度、色调和饱和度等指标也均出现一定程度的提高,性能可与进口高档产品相媲美,极大地拓宽了有机颜(染)料的档次和应用范围。

七、陶瓷

用气相二氧化硅代替气相三氧化二铝添加到95瓷里,既可以起到纳米颗粒的作用,同时它又是第二相的颗粒,不但提高陶瓷材料的强度、韧性,而且提高了材料的硬度和弹性模量等性能,其效果比添加A1203更理想。  利用气相二氧化硅来复合陶瓷基片,不但提高了基片的致密性、韧性和光洁度,而且烧结温度大幅降低。此外,气相二氧化硅在陶瓷过滤网、刚玉球等陶瓷产品中应用效果也十分显著。

八、密封胶、粘结剂

密封胶、粘结剂是量大、面广、使用范围宽的重要产品。它要求产品粘度、流动性、固化速度达最佳条件。我国在这个领域的产品比较落后,高档的密封胶和粘结剂都依赖进口。国外在这个领域的产品已经采用纳米材料作改性剂,而气相二氧化硅是首选材料,它主要是在气相二氧化硅表面包敷一层有机材料,使之具有憎水性,将它添加到密封胶中很快形成一种硅石结构,即气相二氧化硅小颗粒形成网络结构抑制胶体流动,加快固化速度,提高粘结效果,由于气相二氧化硅颗粒尺小从而也增加了产品的密封性和防渗性。

九、玻璃钢制品

玻璃钢制品虽然有轻质、高强、耐腐蚀等优点,但其本身硬度较低、耐磨性较差。有关专家通过超声分散方法将气相二氧化硅添加到胶衣树脂中,与未加气相二氧化硅的胶衣做性能对比实验,发现其莫氏硬度由原来的2.2级(相当于石膏的硬度)提高到2.8~2.9级(3级是天然大理石硬度),耐磨性提高1~2倍,因纳米颗粒与有机高分子产生接枝和键合作用,使材料韧性增加,故抗拉强度和抗冲击强度提高1倍以上,耐热性能也大幅提高。

十、药物载体

随着当前城市生活垃圾的大幅增长以及环境污染的日趋严重,加大消灭“四害”的力度、预防疾病的传播已十分迫切。在树干上涂刷石灰、向垃圾箱喷洒药水已作用不大,现在大城市已采用喷涂中枢神经麻醉药类杀虫剂来消灭蚊子、苍蝇、蟑螂等昆虫类害虫,但这些杀虫剂多从国外进口,价格较高,喷涂后有效期较短(只有一个月)。采用气相二氧化硅为载体吸附该类杀虫剂,起到了很好的缓释效果,据测定,其喷涂后有效期长达一年以上。

十一、化妆品

对于化妆品来说,要求对紫外线屏蔽能力强,最好是既能防护紫外中波(UVB)对人体的危害,亦能对紫外长波(UVA)起防护作用。实质上,紫外屏蔽包括两方面,一是前面所述对紫外线的吸收,另一方面是对紫外线的反射,目前,世界上从紫外反射性能角度开发的抗紫外剂还未见报道。  在防晒产品中以往多使用有机化合物为紫外线吸收剂,但是存在诸如为了尽可能保护皮肤不接触紫外线而提高添加量之后,会增加发生皮肤癌以及产生化学性过敏等问题,而气相二氧化硅为无机成分,易于与化妆品其它组分配伍,无毒、无味,不存在上述问题,且自身为白色,可以简单地加以着色,尤其可贵的是气相二氧化硅反射紫外能力强、稳定性好,被紫外线照射后不分解,不变色,也不会与配方中其它组分起化学反应。气相二氧化硅的这些突出特点为防晒化妆品的升级换代奠定了良好的基础。

十二、抗菌材料

利用气相二氧化硅庞大的比表面积、表面多介孔结构和超强的吸附能力以及奇异的理化特性,将银离子等功能离子均匀地设计到气相二氧化硅表面的介孔中,并实施稳定,成功开发出高效、持久、耐高温、广谱抗菌的纳米抗菌粉(粒径只有70纳米左右),不但填补国内空白,而且主要技术指标均达到或超过日本同类产品。经检测,当纳米抗菌粉在水中的浓度仅为0.315%时,对革兰氏阳性代表菌种与革兰氏阴性代表菌种的抗菌能力就可以非常明显的表露出来,抑菌圈出现2—3mm,且随着纳米抗菌粉在水中浓度的增加,抑菌圈明显增大。据测定,水中含Ag+为0.01mg/1时,就能完全杀灭水中的大肠杆菌,并能保持长达90天内不繁衍出新的菌丛。  将纳米抗菌粉应用于搪瓷釉料中,生产出具有防霉、抗菌功能的滚筒洗衣机,其抗菌率高达99%以上。应该指出的是,纳米抗菌粉在搪瓷釉料中使用条件较为苛刻,须在碱性较强的液体中和高温(900℃左右)烧瓷后仍保持很强的抗菌性能,这是其它抗菌粉望尘莫及的。将纳米抗菌粉添加在内墙涂料中,生产出了具有长久抗菌防霉功能的内墙涂料。将纳米抗菌粉用在妇女内裤洗涤剂、羊毛、羊绒洗涤剂、洗洁精、洗手液中,经卫生防疫部门检测,其抗菌性能十分显著。可以预见,随着人们健康意识的增强,纳米抗菌粉将逐渐被相关应用企业的广大民众所接受,在票据、医疗卫生、化学建材、家电制品、功能纤维、塑料制品等行业中崭露头角。

十三、其它

1、在光学领域的应用  纳米微粒应用于红外反射材料主要是制成薄膜和多层膜来使用。纳米微粒的膜材料在灯泡工业上有很好的应用前景。高压钠灯以及各种用于拍照、摄影的碘弧灯都要求强照明,但是灯丝被加热后69%的能量转化为红外线,这就表明有相当多的电能转化为热能被消耗掉,仅有一少部分转化为光能来照明,同时,灯管发热也会影响灯具的寿命,如何提高发光效率,增加照明度一直是急待解决的关键问题。纳米微粒的诞生为解决这个问题提供了一个新的途径。80年代以来,科研技术人员用气相二氧化硅和纳米二氧化钛微粒制成了多层干涉膜,总厚度为微米级,衬在灯泡罩的内壁,结果不但透光率好,而且有很强的红外线反射能力。据专家测算同种灯光亮度下,该种灯具与传统的卤素灯相比,可节约15%的电能。  

2、新型有机玻璃添加剂  飞机的窗口材料常用的是有机玻璃(PMMA),当飞机在高空飞行时窗口材料经紫外线辐射易老化,造成透明度下降。为解决此问题,利用气相二氧化硅极强的紫外反射性能,在有机玻璃生产过程中加入表面修饰后的气相二氧化硅,生产出的产品抗紫外线辐射能力提高一倍以上,抗冲击强度提高80%。

折叠 编辑本段 矿物介绍

二氧化硅广泛存在于自然界中,与其他矿物共同构成了岩石。天然二氧化硅称为硅石,约占地壳质量的12%,其存在形式有结晶态和无定形态两种。石英晶体是结晶的二氧化硅,具有不同的晶型和色彩。石英中无色透明的晶体是通常所说的水晶。具有彩色环带状或层状的称为玛瑙(含有杂质)。

二氧化硅矿物是指化学式相同(SiO₂),但结构有差异的矿物,这些矿物统称为类质异像体,主要包括石英、方石英鳞石英。这些矿物在地球上主要存于花岗岩砂岩和黑硅岩中,而月球上几乎缺乏,主要原因是:化学成分演化上,月球形成一个低硅、高铝的月壳,高硅的花岗质岩石极为稀少;月球在演化上缺乏像地球一样有一个可以结晶出二氧化硅矿物的水系和热水体系。尽管二氧化硅矿物在月球岩石上极为稀少,但对月球岩石的分类和成因的研究具有重要的作用。

月球上的石英矿物最早是在几块类花岗岩碎处中发现的,在霏细岩中同时也充填了不少方石英矿物,从其微细结构和成分的分析表明,这些石英实际上是由方石英变化过来的。后来在粗晶状的月球花岗岩碎块中也发现有石英矿物,根据其同位素的分析结果,这些矿物是41亿年左右,在较深的环境下结晶形成的,说明这些石英不是在岩浆岩形成期间结晶形成的。

月海武岩中的二氧化硅矿物绝大多数是方石英,体积百分数最多可达5%,几乎没有石英矿物,只有在细晶状月海玄武岩中才存在少量的石英矿物,这些方石英具有典型的双晶结构表明:在熔浆冷却过程中,从高温到低温条件下形成的方石英都有。另外,在一些粗晶状的月海玄武岩中也同时存在方石英和鳞石英,但从结构特征看,方石英是由鳞石英转变的,因为鳞石英一般是镶嵌在于不规则的颗粒之间。

折叠 编辑本段 理化性质

物理性质

二氧化硅又称硅石,化学式SiO₂。自然界中存在有结晶二氧化硅和无定形二氧化硅两种。

沙的主要成分即二氧化硅

结晶二氧化硅因晶体结构不同,分为石英、鳞石英和方石英三种。纯石英为无色晶体,大而透明棱柱状的石英叫水晶。若含有微量杂质的水晶带有不同颜色,有紫水晶茶晶等。普通的砂是细小的石英晶体,有黄砂(较多的铁杂质)和白砂(杂质少、较纯净)。二氧化硅晶体中,硅原子的4个价电子与4个氧原子形成4个共价键,硅原子位于正四面体的中心,4个原子位于正四面体的4个顶角上,SiO₂是表示组成的最简式,仅是表示二氧化硅晶体中硅和氧的原子个数之比。二氧化硅是原子晶体

自然界存在的硅藻土是无定形二氧化硅,是低等水生植物硅藻的遗体,为白色固体或粉末状,多孔、质轻、松软的固体,吸附性强。

不溶于水。

化学性质

化学性质比较稳定。不跟水反应。是酸性氧化物,不跟一般酸反应。气态氟化氢跟二氧化硅反应生成气态四氟化硅。跟热的浓强碱溶液或熔化的碱反应生成硅酸盐。跟多种金属氧化物高温下反应生成硅酸盐。用于制造石英玻璃、光学仪器、化学器皿、普通玻璃、耐火材料、光导纤维陶瓷等。二氧化硅的性质不活泼,它不与除氟、氟化氢以外的卤素、卤化氢以及硫酸、硝酸、高氯酸作用(热浓磷酸除外)。

常见的浓磷酸(或者说焦磷酸)在高温下即可腐蚀二氧化硅,生成杂多酸,高温下熔融硼酸盐或者硼酐亦可腐蚀二氧化硅,鉴于此性质,硼酸盐可以用于陶瓷烧制中的助熔剂,除此之外氟化氢也可以可使二氧化硅溶解的酸,生成易溶于氟硅酸: 6HF+SiO2=H₂SiF6+2H₂O

二氧化硅一般情况下不与水反应,即与水接触不生成硅酸,但人为规定二氧化硅为硅酸的酸酐。

在大多数微电子工艺感兴趣的温度范围内,二氧化硅的结晶率低到可以被忽略。

二氧化硅结构

尽管熔融石英不是长范围有序,但它却表现出短的有序结构,它的结构可认为是4个氧原子位于四面体的顶点上。多面体中心是一个硅原子。

这样,每4个氧原子近似共价键合到硅原子,满足了硅的化合价外壳。如果每个氧原子是两个多面体的一部分,则氧的化合价也被满足,结果就成了称为石英的规则的晶体结构

在熔融石英中,某些氧原子,成为氧桥位,与两个硅原子键合。某些氧原子没有氧桥,只和一个

可以认为热生长二氧化硅主要是由任意方向的多面体网络组成的。与无氧桥位相比,有氧桥的部分越大,氧化层的粘合力就越大,而且受损伤的倾向也越小。干氧氧化层的有氧桥与无氧桥的比率远大于湿氧氧化层。

折叠 编辑本段 用途

二氧化硅用于制造平板玻璃,玻璃制品,铸造砂,玻璃纤维,陶瓷彩釉,防锈用喷砂,过滤用砂,熔剂,耐火材料以及制造轻量气泡混凝土。 二氧化硅的用途很广。自然界里比较稀少的水晶可用以制造电子工业的重要 部件、光学仪器和工艺品。 二氧化硅是制造光导纤维的重要原料。 一般较纯净的石英,可用来制造石英玻璃。石英玻璃膨胀系数很小,相当于 普通玻璃的1/18,能经受温度的剧变,耐酸性能好(除HF外),因此,石英玻璃 常用来制造耐高温的化学仪器。 石英砂常用作玻璃原料和建筑材料。

二氧化硅是制造玻璃石英玻璃、水玻璃、光导纤维、电子工业的重要部件、光学仪器、工艺品和耐火材料的原料,是科学研究的重要材料。

当二氧化硅结晶完美时就是水晶;二氧化硅胶化脱水后就是玛瑙;二氧化硅含水的胶体凝固后就成为蛋白石二氧化硅晶粒小于几微米时,就组成玉髓、燧石、次生石英岩。物理性质和化学性质均十分稳定的矿产资源,晶体属三方晶系的氧化物矿物,即低温石英(α-石英),是石英族矿物中分布最广的一个矿物种。广义的石英还包括高温石英(β-石英)。石英块又名硅石,主要是生产石英砂(又称硅砂)的原料,也是石英耐火材料和烧制硅铁的原料。

食品工业用作抗结剂、消泡剂、增稠剂、助滤剂、澄清剂。我国《食品添加剂使用卫生标准》(GB2760-2011)规定:可用于蛋粉、糖粉、奶粉、可可粉、可可脂、植物性粉末、速溶咖啡、汤料粉等,最大使用量为15g/kg,粉末香精,最大使用量为80g/kg;固体饮料,最大使用量为0.2g/kg;粮食,1.2g/kg。

折叠 编辑本段 应用领域

玻璃

二氧化硅

平板玻璃、浮法玻璃、玻璃制品(玻璃罐玻璃瓶玻璃管等)、光学玻璃、玻璃纤维、玻璃仪器、导电玻璃、玻璃布及防射线特种玻璃等的主要原料

陶瓷及耐火材料

瓷器的胚料和釉料,窑炉用高硅砖、普通硅砖以及碳化硅等的原料

冶金

硅金属、硅铁合金和硅铝合金等的原料或添加剂、熔剂

建筑

混凝土、胶凝材料、筑路材料、人造大理石、水泥物理性能检验材料(即水泥标准砂)等

化工

硅化合物和水玻璃等的原料,硫酸塔的填充物,无定形二氧化硅微粉

机械

铸造型砂的主要原料,研磨材料(喷砂、硬研磨纸、砂纸砂布等)

电子

高纯度单晶硅(非金属)、通讯用光纤等

橡胶、塑料

填料(可提高耐磨性)

涂料

填料(可提高涂料的耐候性)

医学

新加坡国立大学工程学院生物工程系的研究人员研制出一种新技术,能够通过二氧化硅纳米粒子将红外光转化为紫外光和可见光,为深层肿瘤的非侵入性疗法铺平了道路。据称,该技术能够抑制肿瘤生长,控制其基因表达,是世界上首个使用纳米粒子治疗深层肿瘤的非侵入性光动力疗法。

折叠 编辑本段 危害

二氧化硅在日常生活、生产和科研等方面有着重要的用途,但有时也会对人体造成危害。二氧化硅的粉尘极细,比表面积达到100m2/g以上可以悬浮在空气中,如果人长期吸入含有二氧化硅的粉尘,就会患硅肺病(因硅旧称为矽,硅肺旧称为矽肺)。

硅肺是一种职业病,它的发生及严重程度,取决于空气中粉尘的含量和粉尘中二氧化硅的含量,以及与人的接触时间等。长期在二氧化硅粉尘含量较高的地方,如采矿、翻砂、喷砂、制陶瓷、制耐火材料等场所工作的人易患此病。

因此,在这些粉尘较多的工作场所,应采取严格的劳动保护措施,采用多种技术和设备控制工作场所的粉尘含量,以保证工作人员的身体健康。

安全信息

  • 海关编码:3802900090
  • 危险类别码:R36/37
  • 安全说明:S26-S37/39
  • 危险品标志:Xi:Irritant

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