二氧化硅微球的制备[课件材料]

1、单分散二氧化硅微球的制备单分散二氧化硅微球的制备 1讲课课件 主要内容主要内容 一、一、二氧化硅微球二氧化硅微球 二、二氧化硅微球的制备二、二氧化硅微球的制备 三三、溶胶、溶胶-凝胶法制备二氧化硅微球凝胶法制备二氧化硅微球 2讲课课件 一、一、二氧化硅微球的性质二氧化硅微球的性质 单分散微球是指不但组成、形状相同，而且粒子尺单分散微球是指不但组成、形状相同，而且粒子尺 寸较为均匀的微球。寸较为均匀的微球。 微球（微球（microspheremicrosphere）分：纳米）分：纳米 微米微米 目前药剂学上关于微球粒径范围的定义一般为目前药剂学上关于微球粒径范围的定义一般为1-1- 500um5

2、00um，小的可以是几纳米，大的可达，小的可以是几纳米，大的可达800um800um，其中粒，其中粒 径小于径小于500nm500nm的，通常又称为纳米球（的，通常又称为纳米球（nanospheresnanospheres） 或纳米粒（或纳米粒（nanoparticlesnanoparticles）, ,属于胶体范畴。属于胶体范畴。 3讲课课件 纳米二氧化硅理化性质纳米二氧化硅理化性质 为无定型白色粉末为无定型白色粉末, ,是一种无毒、无味、无污染是一种无毒、无味、无污染 的非金属材料。的非金属材料。 微结构为球形微结构为球形, , 呈絮状和网状的准颗粒结构。呈絮状和网状的准颗粒结构。 具有对

3、抗紫外线的光学性能具有对抗紫外线的光学性能; ; 掺入材料中可提高材料的抗老化性和耐化学性掺入材料中可提高材料的抗老化性和耐化学性; ; 分散在材料中分散在材料中, , 可提高材料的强度、可提高材料的强度、 强性强性; ; 还具有吸附色素离子、降低色素衰减的作用。还具有吸附色素离子、降低色素衰减的作用。 4讲课课件 应用应用 单分散球形单分散球形SiO2由于比表面积大、密度小、分散性由于比表面积大、密度小、分散性 好，同时又具有良好的光学以及力学特性，因而在生好，同时又具有良好的光学以及力学特性，因而在生 物医学、催化、功能材料、高性能陶瓷、涂料、复合物医学、催化、功能材料、高性能陶瓷、涂料、

4、复合 材料、记录材料、传感器、催化剂、吸附剂、化妆品、材料、记录材料、传感器、催化剂、吸附剂、化妆品、 药物、色谱柱填料药物、色谱柱填料 、结构陶瓷原料、结构陶瓷原料 、油墨的添加剂、油墨的添加剂、 光电学，光电学， 数据存储、医学诊断以及免疫测定等相关数据存储、医学诊断以及免疫测定等相关 材料和研究领域有着重要应用。材料和研究领域有着重要应用。 5讲课课件 应用应用 中空介孔的中空介孔的 SiO2球具有很高的比表面积和空容，球具有很高的比表面积和空容， 可以作为封装时的干燥剂使用，也可用于催化剂载可以作为封装时的干燥剂使用，也可用于催化剂载 体体SiO2无毒性以及生物相容性使其被用作药物载体

5、。无毒性以及生物相容性使其被用作药物载体。 6讲课课件 介孔介孔SiO2微球示意图微球示意图 7讲课课件 应用应用 SiO2球引入荧光染料，可制得荧光微球，在生物 医学成像和免疫测定中有广泛应用。 SiO2 颗粒的颗粒的SEM图图 8讲课课件 应用应用 近几年更引起人们研究兴趣的是用单分散SiO2球 形颗粒为原料自组装制备光子晶体。由光子晶体制 得的材料具有禁止某一频段光波通过的特性，是制 备集成度更大、速度更快的光电器件的基础。而制 备亚微级（0.1um-1um）的球形Si02颗粒又是组装三 维光子晶体的前提。 光子晶体(又称光子禁带材料) 从材料结构上看， 光子晶体是一类在光学尺度上具有周

6、期性介电结构 的人工设计和制造的晶体。 9讲课课件 SiO2 光子晶体的光子晶体的SEM图图 10讲课课件 二、二氧化硅微球的制备二、二氧化硅微球的制备 单分散SiO2微球的制备方法很多，如微乳液法、化 学气相沉积法、粉碎法、机械合金法、溅射法、激光 诱导化学气相沉积法、化学蒸发凝聚法、沉淀法、超 临界干燥法、水热合成法、溶胶一凝胶法、胶束法、 反胶束法、气溶胶法、共沉淀一微乳液联用法、辐射 合成制备法、球晶技术、囊泡技术等。 11讲课课件 微乳液法微乳液法 微乳液法制备的纳米粒子粒度均一但是在制备过程中需要微乳液法制备的纳米粒子粒度均一但是在制备过程中需要 使用大量的有机物，其回收比较麻烦，

7、成本高且会对环境造使用大量的有机物，其回收比较麻烦，成本高且会对环境造 成污染。成污染。 王玉琨等以TritonX-100/正辛醇/环己烷/水 (或氨水)形成微乳液, 在考察该微乳液系统稳定 相行为的基础上, 由正硅酸乙酯(TEOS)水解反应 制备纳米粒子。该工艺的分析结果表明: 选择适 当的R (水与表面活性剂量比)和h(水与正硅酸乙 酯量比) , 可合成出疏松球形纳米SiO2, 且反应 后处理较简便。粒径大小可由改变R和h控制, 在 R= 6.5, h= 4的条件下, TEOS受控水解制得的SiO2 粒子99.17%粒径为40-50nm。 12讲课课件 超重力法制备纳米二氧化硅超重力法制备

8、纳米二氧化硅 该工艺是将一定浓度的水玻璃溶液静置过滤后置于超重 力反应器中,升温至反应温度后,加入絮凝剂和表面活性剂, 开启旋转填充床和液料循环泵不断搅拌和循环回流,温度稳定 后,通入CO2气体进行反应,当pH 值稳定后停止进气。加酸调 节料液的pH 值,并保温陈化,最后经过洗涤、抽滤 干燥、研 磨、过筛等操作,制得粒度为30nm 的二氧化硅粉体。 采用超重力法制备的纳米二氧化硅粒度均匀采用超重力法制备的纳米二氧化硅粒度均匀, , 平均粒径小于平均粒径小于30nm30nm。传质过程和微观混合过程。传质过程和微观混合过程 得到了极大的强化得到了极大的强化, , 大大缩短了反应时间。大大缩短了反应

9、时间。 13讲课课件 反胶束微乳法反胶束微乳法 反胶束微乳法中的反应体系中需要有两种互不相容的液体， 例如水和油。在反胶束微乳液中，处于纳米尺度的水滴由表面 修饰剂所包覆，被均匀分散在非极性溶液中。化学反应被限制 在水相里进行，因而这些反胶束腔也被称作为微乳液纳米反应 器。 利用反胶束微乳液方法获得的纳米颗粒一般都很均匀，颗利用反胶束微乳液方法获得的纳米颗粒一般都很均匀，颗 粒的大小有水和表面修饰剂的比例来决定。粒的大小有水和表面修饰剂的比例来决定。 14讲课课件 沉淀法沉淀法 在含有一种或者多种粒子的可溶性盐溶液中加入沉淀剂，或 是通过升高溶液的温度使溶液发生水解而产生不溶性的氢氧化物， 水

10、合氧化物或者盐类。然后将溶剂和溶液中原有的阴离子除去， 经热分解或者脱水后即可得到所需的产物。这种方法即为沉淀法。 在沉淀法中，匀相沉淀法是研究的比较多的一在沉淀法中，匀相沉淀法是研究的比较多的一 种方法，不同于共沉淀法（含多种阳离子的溶液中种方法，不同于共沉淀法（含多种阳离子的溶液中 加入沉淀剂以后，所有的粒子完全沉淀）在匀相沉加入沉淀剂以后，所有的粒子完全沉淀）在匀相沉 淀法中，沉淀过程是平衡的，沉淀在整个溶液过程淀法中，沉淀过程是平衡的，沉淀在整个溶液过程 中均匀的出现。这种方法可以达到颗粒粒径分布小中均匀的出现。这种方法可以达到颗粒粒径分布小 于于5 %的纳米粒子。的纳米粒子。 15讲

11、课课件 水热法水热法 水热法也被成为水热反应，是指在密封的压力容器中,以 水为溶剂,在高温高压的条件下进行的化学反应。它利用高温 高压的水溶液使得大气条件下不溶或者难容的物质溶解，或 通过反应生成所需产物的溶解态，然后控制高压釜内溶液的 温差使产生对流以形成过饱和状态而生成晶体。 水热法特点是粒子纯度高、分散性好、晶形水热法特点是粒子纯度高、分散性好、晶形 好且可控制好且可控制,生产成本低。用水热法制备的粉体一生产成本低。用水热法制备的粉体一 般无需烧结般无需烧结,这就可以避免在烧结过程中晶粒会长这就可以避免在烧结过程中晶粒会长 大而且杂质容易混入等缺点。大而且杂质容易混入等缺点。 水热法合成

12、需要特殊装置高压釜。水热法合成需要特殊装置高压釜。 16讲课课件 干法制备纳米二氧化硅干法制备纳米二氧化硅 干法工艺的原料一般采用卤硅烷、 氧(或空气)和氢, 在高温下反应制备纳米二氧化硅。以四氯化硅为例, 其 反应式为: SiCl4+ (n+ 2)H2+ (n/2+ 1)O2SiO2nH2O + 4HCl 主要流程是主要流程是: 将上述硅化合物在空气和氢气中均匀混将上述硅化合物在空气和氢气中均匀混 合合, 于高温下水解于高温下水解, 再通过旋风分离器再通过旋风分离器, 分离出大的凝焦颗分离出大的凝焦颗 粒粒, 最后脱酸制得气相最后脱酸制得气相SiO2, 其反应式为其反应式为: 2H2+ O2

13、+ 硅化合物硅化合物气相气相SiO2+ 4H+ 17讲课课件 胶体化学法胶体化学法 胶体化学法的基本原理是：将金属醇盐或者无机盐水解直 接形成溶胶或者经解凝形成溶胶，然后使溶质聚合凝胶化，再 干燥凝胶，除去有机成分得到无机纳米颗粒。这种方法多用于 制备氧化物纳米颗粒。金属醇盐的水解和缩聚反应方程可以表 示为： 水解：M(OR)4 + nH2O M(OR)4-n(OH)n + nHOR, 缩聚：2M(OR)4-n(OH)n M(OR)4-n(OH)n-12O + H2O 总反应方程式： M(OR)4 + H2O MO2 +4HOR 18讲课课件 三、溶胶三、溶胶-凝胶法制备二氧化硅微球凝胶法制备

14、二氧化硅微球 以溶胶-凝胶法为基础的Stber法因其工艺简单、成 本低廉，成为制备球形Si02的首选方法之一。 Stber法以正硅酸乙酯为原料，以乙醇为介质，通 过氨水催化水解和凝聚制备出单分散二氧化硅颗粒。 19讲课课件 溶胶凝胶法的基本概念溶胶凝胶法的基本概念 溶胶（溶胶（Sol）是具有液体特征的胶体体系，分散的粒子是固体或是具有液体特征的胶体体系，分散的粒子是固体或 者大分子，分散的粒子大小在者大分子，分散的粒子大小在1100nm之间。之间。 凝胶（凝胶（Gel）是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连 续的网状骨架，骨架空隙中充有液体或气

15、体，凝胶中分散相的续的网状骨架，骨架空隙中充有液体或气体，凝胶中分散相的 含量很低，一般在含量很低，一般在13之间。之间。 溶胶溶胶无固定形状无固定形状固相粒子自由运动固相粒子自由运动 凝胶凝胶固定形状固定形状固相粒子按一定网架结构固定不能自由移动固相粒子按一定网架结构固定不能自由移动 * 特殊的网架结构赋予凝胶很高的比表面积特殊的网架结构赋予凝胶很高的比表面积 * 20讲课课件 溶胶凝胶法：溶胶凝胶法：就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体， 在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反 应，在溶

16、液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒 间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间 充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧 结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。 溶解溶解 前驱体前驱体 溶液溶液溶胶溶胶 凝胶凝胶凝胶凝胶 水解水解缩聚缩聚老化老化 21讲课课件 传统Stber法制备二氧化硅微球过程是在正硅酸乙脂- 水-碱-醇体系中利用正硅酸乙脂（TEOS）水解缩聚来制 备。其中碱的作

17、用是催化剂和pH值调节剂，而醇作为溶剂。 工艺图如下： 无水乙醇，去离子水，氨水无水乙醇，去离子水，氨水 40度恒温水浴磁力搅拌至恒定温度度恒温水浴磁力搅拌至恒定温度 TEOS 40度恒温水浴磁力搅拌度恒温水浴磁力搅拌4小时小时 超声洗涤超声洗涤 水浴蒸发水浴蒸发 得到二氧化硅微球颗粒得到二氧化硅微球颗粒 22讲课课件 改进的Stber溶胶-凝胶法 实验过程： 将适量的醇、水和氨水依次加入烧杯中，室温 下用磁力搅拌器搅拌均匀，再将一定量的正硅酸乙 酯(TEOS)缓慢滴加到混合均匀的上述溶液中，滴加 完毕用聚乙烯薄膜密封烧杯口，约15min出现白色 沉淀，继续搅拌5h，使反应完全，再经一系列的后

18、 处理(离心、洗涤、干燥)得到SiO2微球。 23讲课课件 1 2 3 4 5 6 7 磁力搅拌溶胶凝胶合成反应示意图磁力搅拌溶胶凝胶合成反应示意图 1.1.容器容器 2. 2. 密封盖板密封盖板 3.3.反应溶液反应溶液 4.4.转动磁子转动磁子 5. 5. 磁力搅拌器加热板磁力搅拌器加热板 6. 6. 温度调节器温度调节器 7. 7. 转速调节器转速调节器 24讲课课件 二氧化硅微球的二氧化硅微球的TEM照片照片 25讲课课件 SiO2微球的形成机理微球的形成机理 利用醇盐水解制备球形氧化物或氢氧化物颗粒 是一种常用的方法。在仅有水和醇溶剂存在下，硅 醇盐的水解速率较慢，因此一般都需要加入

19、催化剂， 用氨水作催化剂可制备得到SiO2微球。 26讲课课件 在氨水作催化剂时，正硅酸乙酯的水解缩聚反应分 两步，具体的化学反应式如下： 27讲课课件 氧化硅球形颗粒的形成机理示意图氧化硅球形颗粒的形成机理示意图 28讲课课件 反应条件对反应条件对 SiO2微球粒径和形貌的影响微球粒径和形貌的影响 1、有机溶剂种类对、有机溶剂种类对SiO2粒径和形貌的影响粒径和形貌的影响 保持其它反应条件不变，分别采用甲醇、乙醇、正丙醇、 正丁醇为溶剂来制备SiO2微球。 29讲课课件 The physical and chemical parameters of different solvents and the particle size distribution of silica microspheres 30讲课课件 2、TEOS浓度对SiO2球形颗粒大小的影响 Effects of the TEOS content on the size of SiO2 particles 31讲课课件 3、氨水的量对、氨水的量对SiO2球形颗粒大小的影响球形颗粒大小的影响 Effects of the ammonia content on the size