CN101343065A - 一种纳米二氧化硅空心球材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于纳米材料技术领域,具体涉及一种纳米二氧化硅空心球材料及其合成方法。具体为采用溶胶-凝胶方法在胶束导向下合成出尺寸超小、均匀分散(粒径偏差小于3%),孔径5-20nm,壁厚在5-20nm及粒径可调的新型纳米二氧化硅空心球材料。制备方法包括二氧化硅空心球的胶束导向下的自组装、单分散控制、渗析及干燥、去除模板剂等步骤。本发明反应条件温和,操作简便易行,最终材料价廉易得。通过改变原料比、添加扩张试剂、反应温度、以及反应时间等条件可以调变材料的粒径、孔径等物理化学性质。这类纳米二氧化硅空心球在吸附、药物缓释、催化剂载体、微反应器、细胞介入靶向诊疗等领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料技术领域,具体涉及一种纳米二氧化硅空心球材料及其合成方法。
背景技术
介孔二氧化硅作为药物的缓释材料有着重要的价值。在利用介孔材料作为负载介质时,其形貌对于性能也存在着诸多影响。Fan与Lei等人通过比较传统的SBA-15材料与控制尺寸的棒状SBA-15的对不同酶进行吸附的实验发现,较小尺寸的棒状SBA-15具有更多的开口,能够大大提升材料固定酶的性能。而类似SBA-16等具有三维笼状结构材料的窗口尺寸较小,可通过高温水热增大其开口尺寸来提高负载性能。尽管三维笼状结构的材料负载性能较差,目标物不易进行较彻底的负载,但是负载在这些材料中的物质却同样不易被排出,该性能恰恰是药物缓释所需要的效果。有文献比较了三维双螺旋结构的MCM-48、二维直管状结构的MCM-41以及三维立方笼状结构的SBA-16的药物缓释性能,发现三维双螺旋结构的MCM-48具有最快的释放药物效果,二维直管状结构的MCM-41的缓释时间为前者的5倍,而SBA-16却达到了20倍。因而,制备同时具有较高分散性和纳米空心球状形貌的二氧化硅材料则将成为一种新型的缓释载体。
此外,二氧化硅材料且具有良好的生物相容性,可与细胞相亲,当尺寸在亚微米尺度时,它们很容易被细胞所吞噬吸收。因此,粒径具有纳米尺度(<100nm)的多孔二氧化硅材料近来引起了人们的广泛关注,并且其孔结构则能够负载目标物进入到这些细胞中,因而这一类材料成为近期非常热门的药物载体与缓释材料[18,19]。
Huo等人使用1,3,5-三甲苯(TMB)携带微量油溶性荧光分子,使其在表面活性剂胶束疏水核增溶并制得了荧光功能化的壳核结构纳米颗粒,该粒子能通过细胞吞噬作用进入到细胞中,具有很好的应用前景,但是如果按照这样的方法,目标物需要在合成的初始就加入到体系中,而对于该目标物的选择则会受到强酸性的反应条件以及目标物必须油溶且不水溶等多重限制,这大大阻碍了它的实际使用。
发明内容
本发明采用F108(EO132PO50EO132)(EO环氧乙烯;PO环氧丙烯)等表面活性剂作为模板,在酸性溶液中制备纳米二氧化硅空心球材料,该空心球材料具有很好的单分散性,颗粒可以完全分散在各种溶剂中,其壁厚在5-20nm,孔径在5-20nm范围内,可调。
本发明的目的是提供一种纳米二氧化硅空心球材料及其制备方法。
本发明提出的尺寸超小、均匀分散的纳米二氧化硅空心球材料合成时所用的表面活性剂与硅源的质量比为1∶1~2,壁厚在5-20nm,孔径在5-20nm范围内,可调。
本发明的尺寸超小、均匀分散的纳米二氧化硅空心球材料的制备方法如下:
(1)将表面活性剂(如F108、F127、Brij700等)溶解形成均一水溶液,用盐酸调节不同酸度使氢离子浓度在0.1~2M,加入扩孔剂三甲苯(TMB)继续搅拌6-24h,并在搅拌下加入硅源:正硅酸甲酯、正硅酸乙酯TEOS或硅酸钠,体系的反应温度为20~40℃,继续搅拌6~24小时后,加入二甲基硅酸二甲酯或二甲基硅酸二乙酯,即制得母液,其中各组分的质量比为:
表面活性剂∶硅源=1∶1~2;
水∶硅源=30∶1~1.5;
三甲苯∶硅源=0~0.7∶1;
水∶二甲基硅酸二甲酯或二甲基硅酸二乙酯=30~60∶1;
(2)渗析,将步骤(1)制得的母液倒入截留分子量为3000-30000的渗析膜,放入蒸馏水中并反复更换蒸馏水渗析1~3天至溶液的pH值为4.0~7.0;
(3)干燥,将步骤(2)渗析后的产物放入60~100℃烘箱中烘干;
(4)模板剂的去除,将干燥后的产物在300~400℃条件下焙烧4-8h除去表面活性剂,制得纳米二氧化硅空心球材料;或将干燥后的产物溶解入30mL 10%~20%H2O2中,pH调为1~3.5,置于石英的夹套烧杯中使用20~40℃循环水控温,使用两盏波长253nm功率15W的紫外灯光照12~24h,最后在60~100℃烘箱烘干,制得纳米二氧化硅空心球材料;或将干燥后的产物溶解入30mL 10%~20%H2O2中,pH调为1~3.5,置于石英烧杯中置于100~120℃烘箱中水热12~24h,所得产物在60~100℃烘箱烘干,制得纳米二氧化硅空心球材料。
本发明中的表面活性剂为聚环氧乙烯作为亲水嵌段,长链烷烃作为疏水基的非离子型表面活性剂,碳原子数目为8-20,聚环氧乙烯的聚合度为4-100;或聚环氧乙烯作为亲水嵌段,聚环氧丙稀或聚环氧丁稀作为疏水嵌段的嵌段高分子表面活性剂。
本发明中的表面活性剂为F127(EO106PO70EO106),F108(PEO128PPO54PEO128),Brij 700聚乙二醇十八醚(C18EO100)等。
本发明与现有技术相比具有如下优点:
(1)反应原料廉价易得,反应条件简单,操作简便易行。
(2)通过改变原料比、反应温度、反应时间以及扩孔剂等条件可以调变纳米二氧化硅空心球材料的粒径、孔径等物理化学性质。
(3)所得的纳米二氧化硅空心球材料具有高度均一的粒径、孔径以及高度可分散性,说明如附图,并且通过实验证明,具有良好的吸附、缓释性能。本发明材料在吸附、催化剂载体、药物缓释、分离、色谱、颜料、微反应器等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为纳米二氧化硅空心球材料(直径24.36nm,孔径11.7nm)的(a)氮气吸附-脱附等温线,(b)透射电镜图,(c)粒径分布。
图2为不同孔径、粒径的纳米二氧化硅空心球材料的透射电镜图。
图3为内部负载金属Pt后的纳米二氧化硅空心球材料的透射电镜图。
具体实施方式
下面通过实施例做进一步说明,但不局限于下述实施例。
实施例1
在25℃恒温循环水浴条件下,将1.0g F108和1.0g1,3,5-三甲苯搅拌下溶解于30mL 2M的盐酸体系中,搅拌6h以上形成乳白色乳浊液状均一体系后,加入1.0g TEOS,搅拌6h后加入0.5mL的二甲基硅酸二甲酯(DMDMS,(CH3)2Si(CH3O)2)并继续恒温搅拌48h。所得液体倒入截留分子量为14000的渗析膜,放入蒸馏水中并反复更换蒸馏水(每6h一次)渗析两天。渗析后除去盐酸或其他无机离子的溶液放入100℃烘箱中烘干。所得块状固体在350℃条件下焙烧6h除去表面活性剂后得到纳米二氧化硅空心球材料。
实施例2
在20℃恒温循环水浴条件下,将1.0g F108和0.5g1,3,5-三甲苯搅拌溶解在30mL 1M的盐酸体系中,搅拌6h以上形成乳白色乳浊液状均一体系后,加入1.5g TEOS,搅拌12h后加入0.75mL的二甲基硅酸二甲酯(DMDMS,(CH3)2Si(CH3O)2)并继续恒温搅拌48h。所得液体倒入截留分子量为14000的渗析膜,放入蒸馏水中并反复更换蒸馏水(每6h一次)渗析两天。渗析后除去盐酸或其他无机离子的溶液放入100℃烘箱中烘干,然后将其重新溶解入30mL 10%H2O2中,pH调为3.5左右,置于石英的夹套烧杯中使用25℃循环水控温,使用两盏波长253nm功率15W的紫外灯光照16h,所得产物于80℃烘箱烘干,得到纳米二氧化硅空心球材料。
实施例3
在40℃恒温循环水浴条件下,将1.0g F108和1.0g TMB搅拌溶解在30mL 0.5M的盐酸体系中,搅拌6h以上形成乳白色乳浊液状均一体系后,加入1.0g TMOS,搅拌6h后加入1.0mL的二甲基硅酸二甲酯(DMDMS,(CH3)2Si(CH3O)2)并继续恒温搅拌48h。所得液体倒入截留分子量为14000的渗析膜,放入蒸馏水中并反复更换蒸馏水(每6h一次)渗析两天。渗析后除去盐酸或其他无机离子的溶液放入100℃烘箱中烘干,然后将其重新溶解入30mL 15%H2O2中,调节pH值到3.5,置于100℃烘箱中水热16h,所得产物在100℃烘箱烘干,得到纳米二氧化硅空心球材料。
实施例4
在20℃恒温循环水浴条件下,将1.0g F127和1.0g1,3,5-三甲苯搅拌下溶解于30mL 2M的盐酸体系中,搅拌6h以上形成乳白色乳浊液状均一体系后,加入1.0g Na2SO4,搅拌6h后加入0.5mL的二甲基硅酸二甲酯(DMDMS,(CH3)2Si(CH3O)2)并继续恒温搅拌48h。所得液体倒入截留分子量为14000的渗析膜,放入蒸馏水中并反复更换蒸馏水(每6h一次)渗析两天。渗析后除去盐酸或其他无机离子的溶液放入100℃烘箱中烘干。所得块状固体在350℃条件下焙烧6h除去表面活性剂后得到纳米二氧化硅空心球材料。
实施例5
在30℃恒温循环水浴条件下,将0.5g Brij 700和1.0g1,3,5-三甲苯搅拌下溶解于30mL2M的盐酸体系中,搅拌6h以上形成乳白色乳浊液状均一体系后,加入1.0g TEOS,搅拌6h后加入0.5mL的二甲基硅酸二乙酯(DMDMS,(CH3)2Si(CH3O)2)并继续恒温搅拌48h。所得液体倒入截留分子量为14000的渗析膜,放入蒸馏水中并反复更换蒸馏水(每6h一次)渗析两天。渗析后除去盐酸或其他无机离子的溶液放入100℃烘箱中烘干,然后将其重新溶解入30mL 10%H2O2中,pH调为3.5左右,置于石英的夹套烧杯中使用25℃循环水控温,使用两盏波长253nm功率15W的紫外灯光照16h,所得产物于80℃烘箱烘干,得到纳米二氧化硅空心球材料。
Claims (3)
1.一种纳米二氧化硅空心球材料,其特征在于:合成时所用的表面活性剂与硅源的质量比为1∶1~2,其壁厚在5~20nm、孔径在5~20nm范围内可调。
2.一种如权利要求1所述的纳米二氧化硅空心球材料的制备方法,其特征在于具体步骤如下:
(1)将表面活性剂溶解形成均一水溶液,用盐酸调节不同酸度使氢离子浓度在0.1~2M,加入三甲苯继续搅拌6-24h,并在搅拌下加入硅源:正硅酸甲酯、正硅酸乙酯或硅酸钠,体系的反应温度为20~40℃,继续搅拌6~24小时后,加入二甲基硅酸二甲酯或二甲基硅酸二乙酯,即制得母液,其中各组分的质量比为:
表面活性剂∶硅源=1∶1~2;
水∶硅源=30∶1~1.5;
三甲苯∶硅源=0~0.7∶1;
水∶二甲基硅酸二甲酯或二甲基硅酸二乙酯=30~60∶1;
(2)渗析,将步骤(1)制得的母液倒入截留分子量为3000-30000的渗析膜,放入蒸馏水中并反复更换蒸馏水,渗析1~3天溶液的pH值为4.0~7.0;
(3)干燥,将步骤(2)渗析后的产物放入60~100℃烘箱中烘干;
(4)模板剂的去除,将干燥后的产物在300~400℃条件下焙烧4~8h除去表面活性剂,制得纳米二氧化硅空心球材料;或将干燥后的产物溶解入30mL 10%~20%H2O2中,pH调为1~3.5,置于石英的夹套烧杯中使用20~40℃循环水控温,使用两盏波长253nm功率15W的紫外灯光照12~24h,最后在60~100℃烘箱烘干,制得纳米二氧化硅空心球材料;或将干燥后的产物溶解入30mL 10%~20%H2O2中,pH调为1~3.5,置于石英烧杯中置于100~120℃烘箱中水热12~24h,所得产物在60~100℃烘箱烘干,制得纳米二氧化硅空心球材料;
其中,所述的表面活性剂为聚环氧乙烯作为亲水嵌段,长链烷烃作为疏水基的非离子型表面活性剂,碳原子数目为8-20,聚环氧乙烯的聚合度为4-100;或聚环氧乙烯作为亲水嵌段,聚环氧丙稀或聚环氧丁稀作为疏水嵌段的嵌段高分子表面活性剂。
3.根据权利要求2所述的纳米二氧化硅空心球材料的制备方法,其特征在于所述的表面活性剂为F127、F108或Brij700。
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