Структурные особенности и преимущества применения газообразного диоксида кремния 

Как известно, содержание кремния в земной коре составляет около 26 %, уступая лишь кислороду. В природе кремний существует преимущественно в виде диоксида кремния, который в земной коре представлен главным образом кристаллами. Хотя молекулярная формула диоксида кремния — SiO₂, в кристаллах диоксида кремния не существует отдельных молекул этого соединения; вместо этого бесчисленные атомы кремния и кислорода соединяются между собой кремний-кислородными связями, образуя трехмерную структуру. Такие хорошо известные нам минералы, как кварц, хрусталь и агаты, представляют собой кристаллы диоксида кремния.

Поскольку кристаллическая структура диоксида кремния стабильна, в процессе добычи полезных ископаемых образуется большое количество порошка кристаллов диоксида кремния. При попадании в организм человека этот порошок оседает в лёгких и не может быть выведен; со временем это приводит к развитию так называемого «кремневого легочного заболевания» или «силикоза». Однако производимый нашей компанией диоксид кремния относится к синтетическому нанодиоксиду кремния, который сам по себе не обладает кристаллической структурой. С макроскопической точки зрения он представляет собой агрегат молекул диоксида кремния наноразмера, растворим в воде и, попав в организм человека при вдыхании, может выводиться с током крови, не вызывая развития силикоза в результате отложения. Хотя газофазный диоксид кремния является аморфным и нетоксичным, он, тем не менее, относится к категории порошковых веществ, и при слишком высокой концентрации в воздухе может вызывать дискомфорт в дыхательных путях человека, поэтому при производственных работах необходимо соблюдать соответствующие меры защиты.

Синтетический нанодиоксид кремния, полученный в газовой фазе, в основном получают в результате химических реакций. В настоящее время промышленно внедрены два метода: осадительный и газофазный; в лабораторных условиях также применяется золь-гель-метод и другие способы, однако здесь будут рассмотрены только осадительный и газофазный методы получения. Метод синтеза нанодиоксида кремния осадительным способом в основном заключается в образовании агрегатов диоксида кремния в результате реакции раствора кальцинированного стекла (силиката натрия) с серной и соляной кислотами при определенном значении pH. Газофазный диоксид кремния — это в основном аморфный нанодиоксид кремния, получаемый путем высокотемпературного гидролиза хлорида кремния в пламени водорода и кислорода. Нанодиоксид кремния, полученный этими двумя методами, имеет весьма заметные различия.

С точки зрения внешнего вида, поскольку содержание влаги в диоксиде кремния, полученном газофазным способом, значительно ниже, чем в диоксиде кремния, полученном осадительным способом, газофазный диоксид кремния обладает лучшей сыпучестью и более склонен к образованию пыли; его уплотнённая плотность, как правило, составляет лишь 1/4 от плотности осадительного диоксида кремния; между ними также существует определённое различие по тактильным ощущениям. С точки зрения физико-химических параметров, газовый диоксид кремния имеет кислую реакцию (pH), поскольку гидроксильные группы на его поверхности ионизируются в растворе, тогда как осадочный белый наполнитель, благодаря технологии производства и значительной степени связывания поверхностных гидроксильных групп, обычно имеет нейтральную реакцию; чистота газового диоксида кремния может достигать более 99 %, тогда как чистота осадочного белого наполнителя обычно составляет 90–95 %; газофазный диоксид кремния обычно имеет размеры нанометрового уровня, тогда как осадочный белый наполнитель — микрометрового (хотя возможны и наноразмеры).
С точки зрения цены, осадочный метод имеет более долгую историю развития, отработанную технологию, низкую себестоимость и высокую производительность, поэтому его цена ниже; в то же время газофазный метод производства диоксида кремния появился относительно недавно, предъявляет высокие требования к оборудованию, требует больших капиталовложений и имеет более низкую производительность, поэтому его цена несколько выше. С точки зрения областей применения, белый диоксид кремния, полученный методом осаждения, в основном используется в качестве армирующего агента и наполнителя для резины и пластмасс и широко применяется в производстве шин, обуви, зубной пасты, лакокрасочных материалов и т. д. Диоксид кремния, полученный газофазным методом, благодаря своей особой структуре, в основном используется в качестве реологического добавки, матовителя и антиосадочного агента в лакокрасочных материалах, а также в качестве добавки, улучшающей текучесть в порошковых лакокрасочных материалах и в качестве армирующего материала для пластмасс.
Газофазный диоксид кремния, как новый наноматериал, обладает свойствами, несравнимыми с обычным диоксидом кремния; он не только широко применяется в традиционных областях, но и активно используется во многих высокотехнологичных и новых отраслях. В будущем газофазный диоксид кремния, несомненно, внесет огромный вклад в развитие промышленности.