【科普知識】二氧化矽聚合物奈米複合材料的應用

將SiO2引入聚合物中，製備而成的奈米複合材料在力學效能、熱學、光學、電學等方面都表現出優異的效能。此外，SiO2與聚合物能夠產生協同效應，賦予複合材料新的效能，因而在多功能材料的方向具有巨大的潛力。

1、塗料和塗層

聚合物成膜效能好，SiO2的加入賦予其優異的熱穩定性和力學效能。此外，透過不同的工藝還可以製備高效能與多功能的塗層。

研究人員將疏水SiO2噴塗在聚氨酯（PU）-丙烯酸酯（PUA）膜表面，製備出用於輥對輥或輥對板系統的超疏水塗層，接觸角達到150°，透光率高，適用於連續性生產。此外，還可利用紫外光照射系統將PDMS基底圖案轉移至PU-PUA薄膜。

SiO2熱穩定性高，可用於製備阻燃性複合材料。研究人員將中空介孔SiO2（HM-SiO2），殼聚糖（CS）和磷酸化纖維素（PCL）為原料，透過層層自組裝法引入環氧樹脂（EP）中，製備出一種環保型阻燃劑。結果表明，HM-SiO2帶有Si、P、S等阻燃元素，與CS、PCL協同賦予了EP優異的阻燃效能。阻燃物質在燃燒後會在EP表面形成緻密的炭層，物理阻隔了氧氣與易燃物的接觸、複合材料在內部的流動，以及熱量的傳遞。按此思路可製備如超疏水與阻燃相結合等多功能奈米複合材料。

同理，以負載緩蝕劑的SiO2為填料塗層附著在金屬表面，能遮蔽外界環境造成的腐蝕因素影響。當塗層產生缺陷時，緩蝕劑釋放到相應的位置進行交聯完成修復。研究人員以介孔SiO2為奈米容器，負載緩蝕劑8-羥基喹啉，並將其加入聚環氧塗料中。結果表明，當物品發生腐蝕時，塗層周圍的pH值發生變化，SiO2中緩釋劑開始溶解併到相應的位置釋放，僅需質量分數為2%的緩蝕劑就能發揮很好的效果。

2、生物醫學

SiO2對細胞無毒性，具有良好的生物相容性，在生物醫學領域常用於藥物釋控、靶向治療、檢測等。

較之其他多孔材料，SiO2孔徑大小可調，操作簡單，這為用於藥物緩釋的載體結構設計提供了更大的空間。研究人員將磺胺嘧啶以溼浸漬法方式分別負載到氨基功能化的球形MCM-41和奈米級SBA-15SiO2中，使用2種不同的聚丙烯酸樹脂修飾後作為一種載藥複合體系。結果表明，奈米複合物載藥體系釋藥速率低於未修飾的SiO2，在pH值為1。2時不釋放藥物，而在pH值為6。8時，能夠成功在靶位釋放出負載的藥物。這歸因於對pH值非常敏感，包裹在外的2層聚合物，可與SiO2配合進一步減緩釋放藥的速度。

研究人員將磁化的SiO2與聚合物胍聚合，利用新型膽紅素誘導熒光蛋白UnaG功能化修飾製備複合材料，當在溶液中監測到膽紅素時，複合顆粒可發出熒光，用於肝功能的臨床診斷。

一般醫學成像基於磁共振成像，研究人員在具有微孔結構的藥物聚合物外，包裹一層摻雜氧化鐵的SiO2無機殼。此載藥體系具有很好的生物相容性，在pH值為7。4時，膜通道中顯示出超低的釋藥速率，防止損傷正常的細胞，基本不產生副作用。隨著酸性增強，載藥體系在磁性靶向作用下到達癌細胞靶位，無機外殼上的氧化鐵被溶解，外殼氣孔開啟並釋放藥物，直至無機殼破碎；這些結果表明，該載藥體系實現了體內的靶向治療，同時並表現出良好的體外磁共振成像能力，以便觀察藥物釋放的區域。

3、環境

SiO2奈米複合材料對環境的貢獻主要體現在重金屬的吸附方面。SiO2具有高比表面積，吸附效能強的特點，但官能團單一，因此將SiO2功能化是擴大應用範圍且可行的途徑。研究人員以Cu2+水溶液為模型，製備一種具有核殼結構的磁性奈米SiO2粒子（MNPs）吸附劑，探討該吸附劑對Cu2+的吸附機理。結果發現，吸附劑對Cu2+的最大吸附量達143mg/g，並且可迴圈使用。其中，NH/NH2在吸附行為中提供電子，使Cu2+價態降低。此類吸附劑非常適用於汙泥這種環境條件，具有高效、環保的特點。靈活使用不同的聚合物對SiO2進行改性，能針對性提高SiO2複合材料對某類重金屬的吸附性。

SiO2複合膜在油水分離領域也有著重要的地位，透過使用親水疏油（或親油疏水）的SiO2來提高膜對水（或油）分子的吸附和溶解，以阻礙油（或水）分子透過膜，實現油水分離。分離效率與膜材料的孔大小相關，Cao等將改性的聚氨酯與疏水性的SiO2噴塗於銅網上，簡單製備一種耐高溫（近100℃）的油水分離膜，用於分離油類物質。結果表明，該銅網對煤油具有很高的分離效率，最高可達99。3%，並且在迴圈使用幾十次後依然保持良好的油水分離效果。

4、包裝

SiO2/聚合物奈米複合材料或以塗層的形式增強傳統包裝的阻隔效能，或以本身作為包裝材料，尤其在水蒸氣阻隔方面具有突出的表現，該特性無疑有利於食品保鮮。研究人員為了改善傳統包裝紙對氣體、溼氣和蒸汽敏感的缺點，將製備的聚苯乙烯（PS）/SiO2用以粗化包裝紙表面纖維。結果表明，包裝紙防水效能在SiO2質量分數為4%時最佳，且力學效能得到提高，含水率下降。超薄的疏水塗層沉積於纖維基質，一方面堵塞了氣孔和孔隙，另一方面在表面作為屏障阻止了纖維對水分子的接觸，從而使包裝紙具有疏水特性。

研究人員開發了一種活性包裝薄膜，以介孔SiO2（MCM-41）作為丁香酚的封裝容器，並透過靜電紡絲法引入聚（3-羥基丁酸酯-co-3-羥基戊酸酯）（PHBV）。結果表明，薄膜的耐熱性、機械強度以及對檸檬烯和水蒸氣的阻隔性都有提高，具有長期抑菌的效能。此時SiO2不僅僅是作為填料增強薄膜的效能，還能作為容器來降低薄膜中抑菌劑的釋放，延長貨架期，保護食品的安全。

SiO2本身無毒無味，能夠彌補環境友好型包裝在理化性質方面的不足，滿足可持續發展的要求。研究人員透過溶膠凝膠法制備摻雜SiO2的可降解澱粉膜，結果表明，此類無機-有機雜化膜的力學效能、光學效能和勢壘效能都得到了增強，雖然其所用方法仍需要改進，但同時也展現出SiO2在硬質可降解包裝材料方面的發展潛力。

資料來源：《馮春妮，劉鎏，胡馳，等。二氧化矽/聚合物奈米複合材料的研究進展［J］。包裝工程，2021，42（03）：78-86》

文章來源：中國粉體技術網

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原標題：《【科普知識】二氧化矽/聚合物奈米複合材料的應用》