【原创】气相二氧化硅的表面改性技术及其应用

中国粉体网讯 

1、认识气相二氧化硅

气相二氧化硅（气相法白炭黑），是由卤硅烷在氢氧火焰中高温水解得到的一种无定形粉末，是一种高纯、无色、无味的无机粉体材料。

气相二氧化硅具有原生粒径小、纯度高（大于99.8%）、比表面积高（通常介于100～400m²/g）、绝缘系数和绝热系数低，以及表面具有高活性羟基等特点，被广泛应用到硅橡胶、涂料油墨、不饱和聚酯、环氧树脂、阻燃塑料、隔热板、机械抛光等领域，起到补强、增稠、触变、阻燃、隔热等作用。此外，气相法二氧化硅还有其它诸多应用，如应用于电解质中以改善动力铅酸蓄电池的性能、将介孔二氧化硅纳米颗粒应用于光学诊疗中等。

气相法二氧化硅的结构模型

2、产业发展背景

气相二氧化硅是由德国Degussa（Evonik前身）公司的HarryKloepfer于1942年率先合成。国外气相二氧化硅产业在20世纪90年代就已经得到充分的发展壮大，形成了德国Degussa、德国wacker和美国Cabot为主体的跨国气相二氧化硅产业。我国于1964年在沈阳化工首先试验成功，并于1966年投入大生产。此后30多年我国气相二氧化硅产业发展极其缓慢，到2001年也仅有沈阳化工和上海氯碱两家企业生产。2002年，广州吉必时公司（现为广州吉必盛）成为我国第三家可以规模产业化生产气相二氧化硅的企业，从此，我国气相二氧化硅产业真正步入发展的快车道。经过20年的发展，我国气相二氧化硅产业已经颇具规模，具备了国际竞争力。

3、气相二氧化硅制备技术

气相法二氧化硅主要应用化学气相沉积法生产，通常称其热解法。该技术有两个步骤：1）进入合成水解炉之前，原料中的氢气和氧气必须进行加压，然后再经过分离、冷却、脱水、硅胶干燥、除尘和过滤等一系列操作。2）四氯化硅通过蒸馏塔进行蒸馏，并在蒸发器中进行加热和蒸发等操作。干燥和过滤后的空气被用作载体。高温气化后，原料在高温下进行反应。高温反应生成的白炭黑十分细小，收集不方便。由于生成了气溶胶，因此要借助其他附加操作使其形成较大的颗粒，以利于收集。颗粒最后进入脱酸炉中，经过洗涤后得到二氧化硅。

SiCl₄+2H₂+O₂→SiO₂+4HCl

目前，国外气相二氧化硅生产企业普遍采用单线近万吨级产能技术，而我国技术领先的企业单线产能已经接近了国外水平。同时，在产品质量上，亲水气相二氧化硅通用牌号产品与国外产品质量也基本接近，但是在高牌号和高分散产品上还与国外有一定差距。

4、气相二氧化硅表面改性

　　常见的二氧化硅表面改性方法包括化学方法、物理方法和生物方法等。化学方法主要通过改变二氧化硅表面的化学官能团、改变表面电荷等手段实现表面改性。物理方法包括等离子体处理、光化学处理、溶液化学氧化等，可以通过改变表面形态、结构、粒径等手段实现表面改性。生物方法则是利用生物分子对白炭黑表面进行修饰，实现表面改性。其中，化学方法是最常用的方法之一，包括偶联剂改性、表面接枝改性、醇、酸改性、离子液改性及聚合物包覆改性等。

表面化学改性法中偶联剂改性可以减弱二氧化硅之间的团聚作用，具有改性效果好、反应可控性高等优点。目前硅烷偶联剂、硅氧烷偶联剂和硅氮烷偶联剂等偶联剂应用较为广泛，其中硅烷偶联剂是二氧化硅改性中较为常用的改性剂之一。

表面改性的疏水气相二氧化硅是气相二氧化硅领域的高附加值产品，进入20世纪，我国逐渐通过自我技术创新突破了国外技术封锁，建立了具有自主知识产权的疏水生产线，特别是2015年之后，我国气相二氧化硅表面疏水改性技术取得了快速的进步，其产品种类逐渐丰富，目前可以生产十余种疏水产品，极大带动了下游新材料领域的快速增长。虽然我国在表面疏水改性气相二氧化硅领域取得了一定的进步，但是不论产能规模还是产品质量仍然与国外有不小的差距，需要进一步迎头赶上。

2024年10月30日在上海跨国采购会展中心，由北京粉体技术协会与柏德英思展览(上海)有限公司联合主办“2024粉体分散、改性、包覆技术研讨会”。届时广州汇富研究院有限公司正高级工程师段先健作《气相二氧化硅的表面改性技术及其应用》报告，为参会嘉宾讲解气相二氧化硅的制备方法及特性、表面改性技术、标准进展及应用等一系列内容。

专家介绍

段先健，广州汇富研究院有限公司副总经理，工学博士，正高级工程师。长期从事气相法纳米粉体制备、表面改性及应用研究，在超细粉体的制备及应用方面申请国家发明专利30余项，申请国际专利3项，获得国家专利优秀奖2项。参与多项国际、国家及团体标准的制修订工作；参与10余项国家、省、市科技项目的研究，荣获中石化联合会科技进步一等奖、广东省科技进步三等奖、湖北省科技进步三等奖、广州市科技进步二等奖等荣誉。

参考文献

龙金芬，白炭黑制备的研究进展，六盘水师范学院

段先健，气相二氧化硅产业及其标准化的发展，广州汇富研究院有限公司

赵文超，二氧化硅微球制备方法研究进展，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所

朱恩伟，气相法二氧化硅生产中的关键问题概述，沈阳化工股份有限公司

(中国粉体网编辑整理/昧光)

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