【二氧化硅及其復(fù)合材料的應(yīng)用研究綜述報(bào)告4900字（論文）】

二氧化硅及其復(fù)合材料的應(yīng)用研究綜述報(bào)告目錄TOC\o"1-2"\h\u238701.二氧化硅 176881.1二氧化硅的簡(jiǎn)介 1257741.2二氧化硅的應(yīng)用 1235202.二氧化硅復(fù)合材料及其應(yīng)用 387782.1復(fù)合材料 3252712.2二氧化硅復(fù)合材料 5244202.3二氧化硅復(fù)合材料的應(yīng)用 512033.總結(jié) 7【摘要】二氧化硅是一種無(wú)色、無(wú)毒、無(wú)味的化學(xué)物質(zhì)，其力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性好，因此二氧化硅在生產(chǎn)和生活中得到了廣泛應(yīng)用。本文綜述了二氧化硅、聚合物-二氧化硅納米復(fù)合材料、殼聚糖-二氧化硅復(fù)合材料在工業(yè)領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等的應(yīng)用，并對(duì)這三種材料的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)?！娟P(guān)鍵詞】二氧化硅聚合物殼聚糖復(fù)合材料應(yīng)用二氧化硅1.1二氧化硅的簡(jiǎn)介地殼中元素含量由高到低分別是氧、硅、鋁、鐵、鈣等。硅和氧作為地殼中含量最高的兩種元素，由其組成的化合物二氧化硅在人們的日常生產(chǎn)和生活中起著重要的作用。同時(shí)二氧化硅也是自然界分布最廣的物質(zhì)之一，它主要以si-0絡(luò)合物陰離子的形式存在于硅酸鹽礦物和天然礦物中[2]。二氧化硅是一種以硅氧四面體為基本結(jié)構(gòu)的原子晶體，在二氧化硅原子晶體結(jié)構(gòu)中硅原子位于正四面體的中心，氧原子位于正四面體的每個(gè)頂點(diǎn)，由此形成的Si-O-Si鍵化學(xué)性質(zhì)是穩(wěn)定的[3]。二氧化硅以硅氧四面體為基本結(jié)構(gòu)使得二氧化硅顆粒呈現(xiàn)出三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在二氧化硅納米顆粒的表面，硅原子及其相連的氧原子處于不規(guī)整的環(huán)境中，使其處于不飽和狀態(tài)。也正是由于它處于不飽和的狀態(tài)使得二氧化硅納米顆粒表面吸附的羥基處于不同環(huán)境中，因此顯示出了不同的活性[4]。由于二氧化硅優(yōu)異的性能使其在工業(yè)領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[5]得到廣泛應(yīng)用。1.2二氧化硅的應(yīng)用1.2.1二氧化硅在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用目前二氧化硅在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：：陶瓷領(lǐng)域：我國(guó)是陶瓷生產(chǎn)大國(guó)，但過(guò)去制得的陶瓷制品質(zhì)量不高，其主要原因是陶瓷制品的脆性大、韌性差，光潔度也達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。在陶瓷制品中添加適量的SiO2[6]不僅降低了陶瓷制品的脆性，還使陶瓷制品的韌性和光潔度得以提高。張宏泉等的最新研究成果表明：在AIN陶瓷的氧化過(guò)程中加入SiO2能夠形成Mullite保護(hù)層，故使得AIN陶瓷具有抗高溫和抗氧化等性能；在張明明[7]等人的研究成果中顯示：在陶瓷制品的表面噴涂SiO2比噴涂A1203的光潔度好很多，但噴涂SiO2的價(jià)格卻只有噴涂A1203價(jià)格的一半，因此可以有效的降低生產(chǎn)成本。：橡膠領(lǐng)域：傳統(tǒng)的橡膠產(chǎn)品品質(zhì)不高，需要通過(guò)增加補(bǔ)強(qiáng)劑才具有使用價(jià)值。如果直接在橡膠產(chǎn)品中加入硅元素，產(chǎn)品的穩(wěn)定性、耐熱性、耐磨性都有所提高，但硅橡膠的分子鏈之間分子作用力弱，故還是需要在硅橡膠中添加補(bǔ)強(qiáng)劑。納米顆粒作為補(bǔ)強(qiáng)的手段之一，在2005年張穎[8]等人通過(guò)對(duì)納米二氧化硅結(jié)構(gòu)以及納米二氧化硅對(duì)硅橡膠分散性能的研究中得出：納米二氧化硅能作為硅橡膠的補(bǔ)強(qiáng)劑。：瓷器修復(fù)領(lǐng)域:古代瓷器大多是通過(guò)天然礦物高溫煅燒而成的，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，瓷器會(huì)存在損壞的現(xiàn)象故需要對(duì)破損的瓷器進(jìn)行修復(fù)。在瓷器修復(fù)上色時(shí)用到的涂料就是仿釉涂料，目前這種涂料主要存在兩個(gè)問(wèn)題：一是硬度不夠高，二是顏料著色時(shí)間短不能得以長(zhǎng)時(shí)間保留[10]。氣相二氧化硅是一種白色的粉體材料，具有表面活性高、純度高等優(yōu)點(diǎn)，因此常用來(lái)做涂料的助劑以提高單一涂料的性能[11]。2021年賈涵輝[12]等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究得出：在仿釉涂料中加入氣相二氧化硅使得涂料的涂膜附著力和表面接觸角都得以提升，保證了瓷器修復(fù)的效果。1.2.2二氧化硅在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用1.2.2.1藥物裝載及可控釋放[15]介孔二氧化硅是一種無(wú)機(jī)納米材料，其制備方法簡(jiǎn)單并且介孔二氧化硅具有比較大的比表面積、孔道容量大、表面易被修飾等優(yōu)點(diǎn)，使得介孔二氧化硅在藥物裝載以及輸運(yùn)等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。介孔二氧化硅主要是通過(guò)物理吸附作用或者化學(xué)鍵將親水性藥物或者疏水性藥物裝載在介孔孔道內(nèi)，一般情況下物質(zhì)比表面積越大、孔道容量越大藥物負(fù)載能力越強(qiáng)?？刂扑幬锏尼尫胖饕峭ㄟ^(guò)外部刺激（還原劑、PH、光照等）破壞藥物負(fù)載分子與介孔二氧化硅載體之間的化學(xué)鍵實(shí)現(xiàn)藥物的釋放[13]。1.2.2.2齲齒的填充和修復(fù)[15]齒科填充材料經(jīng)歷由中草藥演變至金箔，到后來(lái)的銀汞合金再到今天的齒科修復(fù)樹(shù)脂。齒科修復(fù)樹(shù)脂是目前蟲(chóng)牙填充的主要材料但其仍存在許多不足比如填充后易收縮、耐磨性光潔度差等問(wèn)題。介孔二氧化硅作為一種無(wú)機(jī)納米材料可以提高復(fù)合樹(shù)脂的密度增強(qiáng)復(fù)合樹(shù)脂的力學(xué)[14]性能，同時(shí)介孔二氧化硅具有的介孔孔道還可以減少?gòu)?fù)合樹(shù)脂體積的收縮。1.2.3二氧化硅在其他領(lǐng)域的應(yīng)用1.2.3.1作為抗結(jié)劑添加在食鹽中食鹽是日常生活的調(diào)味品之一，但當(dāng)食鹽存放在溫度低濕度大的環(huán)境中容易發(fā)生結(jié)塊現(xiàn)象，故我們常在食鹽中添加抗結(jié)劑。亞鐵氰化鉀因其成本廉價(jià)、效果明顯而常被作為食鹽的抗結(jié)劑。隨著對(duì)科學(xué)的深入探究發(fā)現(xiàn)亞鐵氰化鉀是一種低毒的化學(xué)物質(zhì)。2021年楊麗梅[16]用二氧化硅代替亞鐵氰化鉀添加在食鹽中得出結(jié)論：二氧化硅具有與亞鐵氰化鉀相同的作用，當(dāng)二氧化硅添加量控制在7-10/kg內(nèi)，食鹽的抗結(jié)效果最佳。1.2.3.2在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用二氧化硅粒子粒徑小，比表面積大，同時(shí)在二氧化硅表面具有易被修飾的官能團(tuán)。這些官能團(tuán)經(jīng)過(guò)修飾后可以吸附多種有害物質(zhì)，從而起到對(duì)環(huán)境保護(hù)的作用。Mercier[17]等制備的巰基修飾二氧化硅納米材料后可吸附Hg2+，這一過(guò)程結(jié)束后用濃鹽酸處理吸附劑又會(huì)脫去Hg2+，被修飾后的二氧化硅不僅能吸附粒子而且還能重復(fù)使用。2.二氧化硅復(fù)合材料及其應(yīng)用2.1復(fù)合材料傳統(tǒng)材料在性能上具有一些難以克服的缺點(diǎn)。比如，鋼鐵的強(qiáng)度高硬度大，但不耐腐蝕易生銹；有機(jī)合成材料密度小耐腐蝕但不耐高溫；玻璃和陶瓷耐腐蝕但硬度不高。因此人們根據(jù)各自需要將兩種或兩種以上性能優(yōu)異的材料復(fù)合，使它們?cè)谛阅苌先￠L(zhǎng)補(bǔ)短，制成了比原來(lái)單一材料性能優(yōu)越的復(fù)合材料。復(fù)合材料使用的歷史久遠(yuǎn)，遠(yuǎn)古時(shí)代使用的稻草增強(qiáng)粘土以及近代使用的鋼筋混凝土都被稱作是復(fù)合材料。復(fù)合材料由基體和增強(qiáng)材料兩部分組成。基體通常是有機(jī)合成高分子材料、陶瓷、合金等，增強(qiáng)材料主要有玻璃纖維、碳纖維等。復(fù)合材料因其優(yōu)異的性能在航天、醫(yī)療、核能等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。2.2二氧化硅復(fù)合材料二氧化硅結(jié)構(gòu)特殊、比表面積大、生物相容性好具有一些特殊的物理化學(xué)[18]性質(zhì)，此外，二氧化硅粒子的小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面界效應(yīng)[19,20]使得二氧化硅粒子在高溫下仍具有很高的強(qiáng)度，因而被廣泛應(yīng)用于涂料、藥物載體等領(lǐng)域。但二氧化硅表面具有大量的親水基團(tuán)-羥基，容易形成二聚體導(dǎo)致二氧化硅在材料中的分散，故需要在二氧化硅中添加另一種材料彌補(bǔ)單一材料的缺點(diǎn)。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)工業(yè)的發(fā)展，為了滿足工業(yè)的需求，二氧化硅復(fù)合材料也日益多樣化。二氧化硅復(fù)合材料彌補(bǔ)了單一材料所不能克服的缺點(diǎn)，使得二氧化硅復(fù)合材料的到了廣泛應(yīng)用。比如，氧化石墨烯/二氧化硅復(fù)合材料對(duì)鈾的吸附性能提高[21];二氧化硅/木質(zhì)素多孔碳復(fù)合材料用作鋰離子電池負(fù)極材料[22];納米洋蔥碳/二氧化鈦/二氧化硅復(fù)合材料具有了光催化性能[23]。2.3二氧化硅復(fù)合材料的應(yīng)用2.3.1聚合物／二氧化硅納米復(fù)合材料[33]的應(yīng)用2.3.1.1聚合物／二氧化硅納米復(fù)合材料在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用(1):涂料和涂層：二氧化硅具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能，將其引入聚合物中可以制備出功能不同的涂料和涂層。ParkJS[24]將疏水SiO2噴涂在聚氨酯丙烯酸酯膜表面制備出了超疏水涂層；ShudongJiang[25]將中空介孔SiO2通過(guò)自組裝法引入環(huán)氧樹(shù)脂中制備出一種新型的環(huán)保型阻燃劑；ElenaShchukina[26]以介孔二氧化硅為容器，負(fù)載緩蝕劑加入到聚環(huán)氧涂料中，結(jié)果表明SiO2中的緩蝕劑能夠發(fā)揮很好的效果。(2):包裝：聚合物二氧化硅納米復(fù)合材料具有的優(yōu)異性能可以通過(guò)涂料或者涂層的形式增強(qiáng)傳統(tǒng)的包裝性能，聚合物二氧化硅納米復(fù)合材料自身也可以作為一種包裝材料。SaberA.Ibrahim[27]將SiO2引入聚苯乙烯中用以粗化包裝紙表面的纖維，研究結(jié)果表明這種包裝紙的力學(xué)性能、防水性能都有所提高；CamilaHorst[28]用溶液凝膠法制備出了一種摻雜SiO2的可降解膜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種膜的力學(xué)性能、光學(xué)性能、壘勢(shì)性能都有所增強(qiáng)。2.3.1.2聚合物／二氧化硅納米復(fù)合材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用二氧化硅是一種無(wú)毒的化學(xué)物質(zhì)，具有良好的生物相容性，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。AlexanderS.Timin[29]將磁化后的SiO2與聚合物胍聚合制備新的復(fù)合材料可以用于肝功能的臨床診斷。醫(yī)學(xué)成像通?；诖殴舱癯上瘢呕疭iO2與聚合物聚合可制備吸附劑。ChengyiLi[30]在藥物聚合物外包裹一層有氧化鐵的SiO2外殼，當(dāng)PH為7.4時(shí)此載藥體系不產(chǎn)生副作用也不會(huì)損傷正常的細(xì)胞；當(dāng)環(huán)境呈酸性時(shí)，此載藥體系釋放藥物實(shí)現(xiàn)了體內(nèi)的靶向治療。2.3.1.3聚合物／二氧化硅納米復(fù)合材料在其他領(lǐng)域的應(yīng)用SiO2納米復(fù)合材料對(duì)環(huán)境保護(hù)的貢獻(xiàn)主要是吸附重金屬離子。OlivijaPlohl[31]制備一種有核殼結(jié)構(gòu)的磁性納米SiO2吸附劑，實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)Cu2+的吸附機(jī)理進(jìn)行探討表明：這種吸附劑對(duì)Cu2+的最大吸附量達(dá)143mg·g-1并且可循環(huán)使用。MinCao[32]將改性疏水性的SiO2噴涂于銅網(wǎng)上,簡(jiǎn)單制備一種耐高溫的油水分離膜，用于分離油類物質(zhì).SiO2比表面積大，吸附性強(qiáng)，通過(guò)對(duì)官能團(tuán)的修飾使得二氧化硅的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。2.3.2殼聚糖／二氧化硅復(fù)合材料的應(yīng)用2.3.1.1殼聚糖／二氧化硅納米復(fù)合材料在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用:保護(hù)碳酸鹽石材：石質(zhì)古跡是是重要的文化資源。石質(zhì)文物暴露在自然環(huán)境中，經(jīng)過(guò)千百年的風(fēng)吹日曬雨淋大都發(fā)生了風(fēng)華。隨著工業(yè)的日益發(fā)展，環(huán)境污染以及酸雨是使得石質(zhì)文物遭到了嚴(yán)重的侵蝕。LeMetayer-Levre[34,35]利用生物鈣化劑制得仿生膜多石材進(jìn)行加固保護(hù)；張秉堅(jiān)[36]對(duì)天然礦化膜進(jìn)行研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)合成了具有良好保護(hù)性能的草酸鈣仿生膜。何海平[37]采用仿生合成技術(shù)制得一層殼聚糖/二氧化硅復(fù)合膜。研究表明該膜有良好的耐酸、耐污性能同時(shí)還能保留石材原有的吸水性和透氣性。:涂料：隨著現(xiàn)在科技的發(fā)展，環(huán)境保護(hù)日益受到人們的重視。油污染是一種常見(jiàn)的污染，膜分離法是解決油污染的重要途徑之一。李朋[44]將50ml殼聚糖、50ml二氧化硅、0.05ml戊二醛混合后制得的溶液成膜性、穩(wěn)定性、空氣中親水性、水下屬油性都顯示出優(yōu)異性能。接著他將殼聚糖-二氧化硅噴涂在蝕刻后的不銹鋼網(wǎng)表面，通過(guò)浮油油水分離的模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其油水分離效果好。因此殼聚糖-二氧化硅可以作為改性不銹鋼絲網(wǎng)膜的涂料。2.3.1.2殼聚糖/二氧化硅納米復(fù)合材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用:止血：出血是創(chuàng)傷患者的主要表現(xiàn)，平時(shí)各類意外災(zāi)害和戰(zhàn)爭(zhēng)中出血?jiǎng)?chuàng)傷是死亡的主要原因之一[38,39]。為了降低因出血而導(dǎo)致死亡的比率，對(duì)止血材料的性能也提出了更高的要求。殼聚糖是天然存在的堿性多糖[40]，是幾丁質(zhì)經(jīng)脫乙酰作用的產(chǎn)物具有良好的生物相容性和可降解性，它可以促進(jìn)凝血和血栓的形成[41]。夏德萌[42]等將殼聚糖引入介孔二氧化硅中制得復(fù)合材料，研究表明殼聚糖-二氧化硅復(fù)合材料有良好的止血性能、生物相容性和安全性。（2):治療乳腺癌疾病[43]：藥物對(duì)癌癥的治療效果不僅取決于藥物的治療機(jī)制還與給藥的途徑有關(guān)。有效的供藥方法能使藥物在特定條件下釋放并且不損傷正常的組織。環(huán)境刺激響應(yīng)性為納米藥物載體因藥物釋放靶向性、環(huán)境敏感性等優(yōu)點(diǎn)在致癌上有著廣泛應(yīng)用。楊陽(yáng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究發(fā)現(xiàn)殼聚糖-介孔二氧化硅載藥納米粒子具有PH刺激響應(yīng)性，在乳腺癌細(xì)胞中藥物釋放量大，而在正常環(huán)境中釋放量小。這一特性使藥物在病灶部位得到有效釋放，對(duì)我國(guó)乳腺癌治療有重大意義。2.3.1.3殼聚糖／二氧化硅納米復(fù)合材料在其他領(lǐng)域的應(yīng)用“綠水青山就是金山銀山”,近幾年我們國(guó)家在加大源頭防控和綜合治理力度，以改善生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量。家居行業(yè)作為首當(dāng)其沖的行業(yè)更應(yīng)嚴(yán)加管理。家具造成空氣污染的主要?dú)w結(jié)于家具涂料、油漆、膠黏劑等制成的家具輔佐材料，用這些輔佐材料制備的家具產(chǎn)品中的揮發(fā)性有機(jī)物沒(méi)有完全揮發(fā)，從而對(duì)環(huán)境對(duì)人體造成危害。將殼聚糖作為有機(jī)相二氧化硅作為無(wú)機(jī)相通過(guò)共溶膠-凝膠法制得殼聚糖-二氧化硅復(fù)合氣凝膠。這種物質(zhì)不僅保留了氣凝膠的介孔特性同時(shí)又含有殼聚糖所具備的烷基、羥基、氨基等活性有機(jī)基