奈米二氧化矽的工藝選擇:哪種方法最適合您的需求?-電子科技事業 電子科技事業
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2024.07.02

奈米二氧化矽的工藝選擇:哪種方法最適合您的需求?

奈米二氧化矽的製造方法有好幾種,各有什麼特色及應用、以及需要怎麼挑選?


 



 

奈米二氧化矽是目前應用最廣泛的無機奈米材料之一,作為填料已被廣泛應用於聚合物類材料中,如膜材、塗料、黏著劑、橡膠、塑膠等領域,可顯著改善聚合物的物理性能、耐磨性、抗膨脹性、耐水性、介電性質等。
生產二氧化矽的方法主要分為物理法和化學法,
物理法是利用球磨機或粉碎機對二氧化矽進行多級粉碎,最終獲得成品,產品的粒徑一般較大,差不多為1-5um,優點是生產過程簡單、產品細微性容易控制,但該製程需要很大動力,故耗電量較大、生產效率低,缺點是雜質高、球形率低、粒徑分佈寬等缺點。

使用化學法可生產純度高且粒徑分佈均勻的奈米二氧化矽。主要包括氣相法、沉澱法、溶膠-凝膠法。氣相法是以四氯化矽為原料、沉澱法以矽酸鈉和無機酸為原料、溶膠凝膠法(Sol-gel)則是以矽酸酯(TEOS)為原料。

氣相法是目前先進國家用於工業化生產奈米二氧化矽的主要方法,一般業界也稱之為白煙。氣相法的生產原理是將反應物變成氣體,使之在氣態下發生物理和化學變化,而後在冷卻過程中凝聚長大形成奈米微粒。反應方程式為:以有機矽烷鹵為原料,使之在氫氣和氧氣火焰中發生高溫(一般高達1200~1600°C)水解,生成顆粒極細的煙霧狀二氧化矽,煙霧狀的二氧化矽在收集器中集成較大的顆粒,然後再經分離器收集到脫酸爐中進行脫酸處理,即可得到成品奈米二氧化矽,用此方法得到的奈米二氧化矽粒徑一般在50nm以下,產品純度高、分散性好、粒徑小,但對設備要求較高,工藝複雜,能耗大、生產成本高,適用於碳粉外添劑、複合材料、油漆、油墨黏度調整劑。

溶膠-凝膠法(Sol-Gel)是用化學活性高的矽化合物(比如TEOS)作前驅體,在液相下將原料混合均勻,然後加入酸,引發矽酸根的水解;生成的原矽酸之間發生脫水縮合反應,在溶液中形成透明均一穩定的溶膠體系,溶膠放置一段時間後膠粒之間緩慢聚合,形成三維網路結構的凝膠;當凝膠網路中間充滿失去流動性的溶劑,便形成凝膠。凝膠經過乾燥、燒結固化即可製備出奈米二氧化矽。該法所製備的二氧化矽最終粒徑大小受水和催化劑(酸或鹼)濃度、矽酸酯的類型、不同的醇及不同的溫度所影響。通過調控這些因素,可獲得各類結構的奈米二氧化矽。採用Sol-Gel技術制得的二氧化矽球形度佳、純度高、具有較大的比表面積,且易在溶液中取得良好的分散性和懸浮性,是高階半導體材料應用最適合的製程,不管是開發Underfill、固晶膠、CCL還是ABF薄膜等…,都建議使用Sol-Gel法的二氧化矽,此外在碳粉外添劑上,近年來於大粒徑100nm的應用也越來越顯著。
(延伸閱讀: 二氧化矽,奈米等級球形結構,是半導體封裝、銅箔基板填料的最佳選擇!!)



沉澱法奈米二氧化矽是矽酸鹽通過酸化反應過程獲得的,該方法製備工藝簡單,能耗低,原料來源廣泛、價廉,但產品粒徑受酸化劑種類、濃度以及攪拌速度等因素的影響,且制得的產品形貌難控制,孔徑分佈較寬,易形成團聚體,通常無法表現出奈米材料應有的特性,而常作為普通填料用於聚合物增韌。沉澱法製備二氧化矽不僅具有較大的吸水性,與氣相法相比,其耐熱性和電性能也較弱,並且當在其擠出成型的時候容易伴隨著發泡現象的產生,使得熱空氣難以發生硫化,相比於氣相法,補強效果較差。實際反應機理簡單過程說明為矽酸聚合、溶膠凝膠化形成二氧化矽顆粒,主要應用在橡膠、食品、製藥等產業。


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