CN101559950B - 中空二氧化硅纳米球及其制备方法 - Google Patents
中空二氧化硅纳米球及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种中空二氧化硅纳米球的一步法制备方法：在40-60℃将聚N-异丙基丙烯酰胺水溶液与正硅酸乙酯预水解溶液混合后恒温反应160-180小时，反应液用乙醇清洗、超声震荡、离心分离和干燥后得中空二氧化硅纳米球，其具有空心核和介孔壳层结构，粒径为200-600nm，壳层厚度为30-100nm。本发明还公开了前述的中空二氧化硅纳米球及应用。本发明方法无需使用有机溶剂催化、也无需进一步高温煅烧或化学腐蚀去除模板剂，并且可通过简单改变反应温度、时间和投料比调控中空纳米球尺寸及壳层厚度。
Description
技术领域
本发明属于无机纳米材料领域，涉及中空二氧化硅纳米球，具体涉及一种基于温敏性聚N-异丙基丙烯酰胺模板的中空二氧化硅纳米球、制备方法及其应用。
背景技术
近年来，由于中空二氧化硅纳米球在众多方面如催化、药物可控缓释和微胶囊领域有许多潜在的应用，因而受到广泛的关注。
制备中空二氧化硅纳米球所采用的方法一般是基于模板的两步法，其中模板材料可以是聚合物胶乳、乳胶液滴、无机纳米粒子、聚合物的聚集体或复合体，以及表面活性剂的胶束。第一步：在模板材料的分散介质中，通过二氧化硅前驱体(如正硅酸乙酯)在碱性条件的快速水解和缩合或在核模版上层层自组装形成核壳结构制备二氧化硅纳米球的壳；第二步：通过高温煅烧或酸碱和有机溶剂的化学腐蚀来去除核模板从而获得中空二氧化硅纳米球。这种多步骤制备过程造成成本过高，引起环境和能源问题；而且，通过高温煅烧和化学腐蚀去除核模板还会破坏二氧化硅壳层以及包含在材料中的化合物。所以需要进一步寻找新的中空二氧化硅纳米球制备方法，而新制备方法应该更加灵活易用和无破坏性。
中国专利申请(公开号为CN101214965A)公开了一种大孔-介孔二氧化硅空心微球的制备方法，以嵌段共聚物P123为模板剂，在水相中生成稳定的油/水/油双重乳液后，加入硅源正硅酸乙酯TEOS，在沉淀剂的作用下发生水解，过滤干燥后在550℃煅烧后得到具有大孔和介孔两种孔结构的二氧化硅空心微球，并且研究了该材料作为阿维菌素药物缓释载体方面的应用，但是该专利所需的模板双重乳液配置较为复杂，而且后处理过程需要高温煅烧除掉表面活性剂和有机溶剂。中国专利申请(公开号为CN101121519A)公开了在醇体系中，氨水催化硅酸酯和硅烷偶联剂共同水解得到杂化二氧化硅亚微米球，其粒径分布窄，外壳厚度和内核大小均匀，同时该亚微米球具有平均孔径为3～10nm的介孔结构，制备过程简单，生产周期短。但该过程需要醇类有机溶剂和氨水碱性溶液，并使用危险性较大的氢氟酸腐蚀杂化二氧化硅亚微米球的溶胶。李丽颖等人的“以阴离子多肽为模板合成二氧化硅纳米空心球”(物理化学学报，2008，24，3)公开报道了以3-氨丙基三甲氧基硅烷(APMS)和正硅酸乙酯(TEOS)为硅源，聚阴离子多肽(聚谷氨酸钠)为模板控制合成微孔二氧化硅空心球，然而该过程需要不断的调控溶液pH值和通过煅烧来除掉模板剂。上述专利申请或文献中所涉及的中空二氧化硅微球的制备方法中均需要酸或碱性条件来催化正硅酸乙酯等硅源的水解和缩合反应，或者同时使用高温煅烧或化学腐蚀来除掉模板剂，因而依然不能解决上述的两个难题，这大大阻碍了中空二氧化硅纳米球在催化体系、药物可控缓释和微胶囊领域实际应用。
发明内容
本发明提供了一种基于温敏性聚N-异丙基丙烯酰胺的柔性模板一步法制备中空二氧化硅纳米球的方法，该制备方法中无需使用有机溶剂催化、也无需进一步高温煅烧或化学腐蚀去除模板剂，并且可通过改变反应温度、时间和投料比调控中空纳米球尺寸及其壳层厚度。
本发明还提供了一种用上述制备方法得到的中空二氧化硅纳米球，具有空心核和介孔壳层结构。
一种中空二氧化硅纳米球的制备方法，包括以下步骤：
(1)将聚N-异丙基丙烯酰胺在5-25℃配制成质量百分比浓度为0.1-0.5％的水溶液，在40-60℃恒温搅拌，制得溶液A；
将正硅酸乙酯分散到去离子水中，在40-60℃恒温预水解3-4小时，制得溶液B；
(2)将溶液A和溶液B在40-60℃混合并恒温反应160-180小时，得到的反应液呈半透明的微乳白色；
为了保证溶液A和溶液B在混合时温度保持在40-60℃之间，一般可采用保温措施，并尽可能迅速操作。
(3)向步骤(2)得到的反应液中加入乙醇，超声震荡分散后再经离心分离、干燥得到中空二氧化硅纳米球；
加入乙醇并超声震荡分散可以对得到的中空二氧化硅纳米球进行清洗，为了达到更好的清洗效果，可以在干燥前用乙醇多次清洗中空二氧化硅纳米球；
作为优选，现将步骤(2)得到的反应液冷却至室温后，再加入乙醇进行清洗；
步骤(1)中，聚N-异丙基丙烯酰胺由N-异丙基丙烯酰胺单体经自由基聚合制备得到。
聚N-异丙基丙烯酰胺均聚物具有温敏性特征：其水溶液在其低临界相转变温度(LCST)32℃附近发生体积相转变，在该温度之上时，聚合物不溶于水中，聚合物线性链聚集和团聚形成紧密小球，起到模板作用。
优选的合成聚N-异丙基丙烯酰胺的过程如下：
将N-异丙基丙烯酰胺单体和引发剂在溶剂1，4-二氧六环或四氢呋喃中，无氧条件下进行自由基聚合反应；采用乙醚或石油醚为沉淀剂提取均聚物，经离心分离后真空干燥至恒重。该制备过程简单可控，易于工业化。
其中，所述的引发剂为本领域内常用自由基类引发剂，优选为偶氮二异丁腈或过氧化苯甲酰，其用量优选为N-异丙基丙烯酰胺单体重量的0.2-3％。所述的自由基聚合反应的反应温度优选为60-90℃，反应时间优选为12-24小时。
所述的聚N-异丙基丙烯酰胺，经凝胶色谱(GPC)测试，其重均分子量在37000-47000，多分散指数为1.4-2.1。
优选的技术方案中，步骤(1)中，聚N-异丙基丙烯酰胺在5-25℃配制成质量百分比浓度为0.3-0.5％的水溶液，在40-60℃恒温搅拌，制得溶液A。
步骤(1)中将正硅酸乙酯分散到去离子水中，两者比例并没有严格限制，但至少保证正硅酸乙酯可以良好的分散到去离子水中，作为优选正硅酸乙酯和水的体积比为1∶8-20，在40-60℃恒温预水解3小时，初步形成未水解和缩合完全的小球，制得溶液B。
优选的技术方案中，聚N-异丙基丙烯酰胺与正硅酸乙酯的重量比(投料比)为1∶8-16。投料比在该范围内的反应所得到的中空二氧化硅纳米球的核-壳的结构和形状最稳定。通过改变聚N-异丙基丙烯酰胺与正硅酸乙酯的投料比，可调节所得的中空二氧化硅纳米球的尺寸和壳层厚度。
优选的技术方案中，步骤(3)中，超声震荡的时间为10-30分钟；离心分离时，离心机转速1500-3500转/分钟，离心时间为10-30分钟。
步骤(3)中所述的干燥为在35-75℃下的真空干燥，进一步优选真空烘箱干燥。
本发明的原理是：
N-异丙基丙烯酰胺单体制备得到的均聚物聚N-异丙基丙烯酰胺对环境温度敏感，其在31-32℃左右有一低临界相转变温度(LCST)。当温度低于LCST时，聚N-异丙基丙烯酰胺能完全溶解于去离子水中；而当温度高于LCST时，聚N-异丙基丙烯酰胺不溶于水中，由于分子链内和分子链间的氢键和疏水作用，聚N-异丙基丙烯酰胺分子链间团聚成小球。同时，正硅酸乙酯分散到去离子水中，在40-60℃恒温预水解3-4小时，初步形成未水解和缩合完全的小球。
将正硅酸乙酯水解制得的溶液快速移到加热到LCST温度以上的聚N-异丙基丙烯酰胺溶液中，即在40-60℃温度状态下搅拌，此时，均聚物聚N-异丙基丙烯酰胺团聚成小球，而同时硅氧乙基进一步水解缩合发生交联，这样具有聚N-异丙基丙烯酰胺核和二氧化硅纳米球壳的结构和形状被固定了下来。
当溶液温度降到LCST温度以下时，团聚的聚N-异丙基丙烯酰胺以亲水的高分子线性链的形式从二氧化硅纳米球壳层上的介孔扩散出去重新溶解在水中，经离心分离后，可作为模板继续使用。
由于均聚物的团聚程度，也就是共聚物小球的尺寸与温度相关，通过控制溶液温度能够调节中空二氧化硅纳米球的尺寸，进而得到不同尺寸的中空二氧化硅纳米球。
一种由上述的制备方法所得到的中空二氧化硅纳米球，采用温敏性均聚物聚N-异丙基丙烯酰胺为模板，以正硅酸乙酯为硅源在水溶液中发生水解和缩合反应形成，具有中空核和介孔壳层结构。
在水溶液中以温敏性的聚N-异丙基丙烯酰胺作为可重复使用的模板，温敏性的特征使其在温度高于其低临界相转变温度(LCST)之上聚集作为中空二氧化硅纳米球球壳层的柔性模板，这些壳层是由同样温度下水中正硅酸乙酯预水解形成的微小纳米球组成；在温度低于LCST时模板聚合物以亲水的线性链分子形式从壳层微小纳米球间隙即介孔扩散出来，最终形成具有介孔壳层的中空二氧化硅纳米球。
同时透射电镜、扫描电镜和N2吸附-解吸附测试结果表明该球的壳层包含大量无规介孔，这些介孔允许高分子链扩散并将对目标生物分子的载药和释放有重要意义。
上述的中空二氧化硅纳米球的粒径为200-600nm，其壳层厚度为30-100nm。该中空二氧化硅纳米球的尺寸和壳层厚度可通过反应温度、时间和投料比(聚N-异丙基丙烯酰胺与正硅酸乙酯的投料比)来调控。
如上所述的中空二氧化硅纳米球由于同时具有空心核和介孔壳层结构，可应用于催化体系、药物可控缓释和微胶囊领域。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明中二氧化硅纳米球具有中空核和介孔壳层结构，经一步法制备不会对其结构和形貌产生破坏性，不需要进一步经高温煅烧或化学腐蚀去除模板剂。
2.本发明中只需要简单调控聚N-异丙基丙烯酰胺水溶液的温度，在LCST温度之上聚N-异丙基丙烯酰胺链作为柔性模板，在温度降到室温后从二氧化硅纳米球壳层扩散出来，所以聚合物溶液可以经离心分离后重复使用。
3.本发明中不需要强酸或强碱条件来催化正硅酸乙酯的水解和缩合反应，保持溶液在LCST温度上较长时间即可。
4.本发明中可通过改变在制备过程中均聚物水溶液恒温搅拌的温度，来获得不同粒径尺寸和壳层厚度的中空二氧化硅纳米球。
5.本发明中所采用的制备方法，工艺简单可控，适用于工业化生产。
附图说明
图1为实施例1的中空二氧化硅纳米球的扫描电镜和透射电镜照片；
图2为实施例1的中空二氧化硅纳米球的N2吸附-解吸附等温曲线图。
具体实施方式
实施例1
1.040g温敏性单体N-异丙基丙烯酰胺(NIPAm)溶于无水1，4-二氧六环中，在氮气氛围条件下搅拌使其充分溶解，再加入5mg偶氮二异丁腈，充分搅拌，在氮气氛围条件下于80℃油浴下恒温反应24小时后，取出自然冷却至室温；用乙醚将所得反应物沉淀出来，经离心分离后真空干燥，得到聚N-异丙基丙烯酰胺白色粉末，经GPC测试，其重均分子量为3.7×104，多分散指数为1.43。
称取250mg均聚物聚N-异丙基丙烯酰胺在20℃完全溶于50ml去离子水中1天，配成质量百分比浓度为5‰的溶液。加热到50℃，溶液变浑浊，表明高分子链发生聚集，恒温搅拌6小时，制得溶液A。同时量取2.5ml正硅酸乙酯溶于20ml去离子水中，50℃恒温预水解3小时，制得溶液B。将溶液A快速移到溶液B中，50℃恒温磁子搅拌反应160小时。反应完毕，溶液呈半透明的微乳白色。向反应液中加入乙醇清洗，先超声震荡10分钟，再在转速2000转/分钟下离心分离10分钟，如此重复三次，最终将中空二氧化硅纳米球重新分散到乙醇里。用聚乙烯醇涂层的铜网浸沾该溶液，并用滤纸轻轻吸走溶剂乙醇，待干燥后进行透射电镜的测试(参见图1，图中A、B部分为不同显示比例下的透射电镜照片)。在室温下取一滴溶液于铝箔纸上，数分钟后用滤纸轻轻吸走多余溶液，待溶剂挥发干后进行扫描电镜的测试((参见图1，图中C、D部分为不同显示比例下的扫描电镜照片)。图1中A、B部分显示其粒径在200-410nm范围内，且平均粒径为292nm±48nm，其壳层厚度在32-85nm之间。高分辨率下的照片(图1中B、D部分)表明壳层由众多硅球缩合而成，导致表面粗糙，且缩合的硅球间形成大量的间隙，这是高分子链扩散出核的通道。将中空二氧化硅纳米球乙醇溶液旋转蒸发掉溶剂乙醇后，于真空烘箱50℃干燥24小时得到中空二氧化硅纳米球的白色固体粉末。图2为中空二氧化硅纳米球固体粉末的N2吸附-解吸附等温曲线图。在相对压力大于0.5时存在滞后，这表明N2分子被介孔吸附，这与扫描和透射电镜的结果相一致，该结果表明中空二氧化硅纳米球是由空心的核及介孔的壳组成。
实施例2
将实施例1中制得的均聚物聚N-异丙基丙烯酰胺称取150mg在15℃完全溶于50ml去离子水中1天，配成质量百分比浓度为3‰的溶液。加热到50℃，溶液变浑浊，表明高分子链发生聚集，恒温搅拌6小时，制得溶液A。同时量取2.5ml正硅酸乙酯于20ml去离子水中，50℃恒温预水解3小时，制得溶液B。将溶液A快速移到溶液B中，50℃恒温磁子搅拌反应160小时。反应完毕，溶液呈半透明的微乳白色。向反应液中加入乙醇清洗，先超声震荡10分钟，在转速2000转/分钟下离心分离10分钟，如此重复三次，最后将得到的产物重新分散到乙醇中，干燥后制得的中空二氧化硅纳米球粒径在300-500nm之间，其壳层厚度在50-100nm之间。
实施例3
将实施例1中制得的均聚物聚N-异丙基丙烯酰胺称取150mg在15℃完全溶于50ml去离子水中1天，配成质量百分比浓度为3％的溶液。加热到60℃，溶液变浑浊，表明高分子链发生聚集，恒温搅拌6小时，制得溶液A。同时量取2.5ml正硅酸乙酯于20ml去离子水中，60℃恒温预水解3小时，制得溶液B。将溶液A快速移到溶液B中，60℃恒温磁子搅拌反应160小时。反应完毕，溶液呈半透明的微乳白色。向反应液中加入乙醇清洗，先超声震荡10分钟，在转速2000转/分钟下离心分离10分钟，如此重复三次，最后将得到的产物重新分散到乙醇中，干燥后制得的中空二氧化硅纳米球粒径在360-550nm之间，其壳层厚度在46-95nm之间。
实施例4
实施例1中制得的均聚物聚N-异丙基丙烯酰胺称取250mg在25℃完全溶于50ml去离子水中1天，配成质量百分比浓度为5‰的溶液。加热到40℃，溶液变浑浊，表明高分子链发生聚集，恒温搅拌6小时，制得溶液A。同时量取2.5ml正硅酸乙酯于20ml去离子水中，40℃恒温预水解3小时，制得溶液B。将溶液A快速移到溶液B中，40℃恒温磁子搅拌反应180小时。反应完毕，溶液呈半透明的微乳白色。向反应液中加入乙醇清洗，先超声震荡10分钟，在转速2000转/分钟下离心分离10分钟，如此重复三次，最后将得到的产物重新分散到乙醇中，干燥后制得的中空二氧化硅纳米球粒径在210-580nm之间，其壳层厚度在35-100nm之间。
以上所述仅为本发明的若干个具体实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，还可以做出许多变型和改进，所有未超出权利要求所述的变型或改进均应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种中空二氧化硅纳米球的制备方法，包括以下步骤：
(1)将聚N-异丙基丙烯酰胺在5-25℃配制成质量百分比浓度为0.1-0.5％的水溶液，在40-60℃恒温搅拌，制得溶液A；
将正硅酸乙酯分散到去离子水中，在40-60℃恒温预水解3-4小时，制得溶液B；
(2)将溶液A和溶液B在40-60℃混合并恒温反应160-180小时；
(3)向步骤(2)得到的反应液中加入乙醇，超声震荡分散后经离心分离、干燥得到中空二氧化硅纳米球。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的聚N-异丙基丙烯酰胺由以下步骤制得：
将N-异丙基丙烯酰胺单体和引发剂在溶剂1，4-二氧六环或四氢呋喃中，无氧条件下进行自由基聚合反应；采用乙醚或石油醚提取均聚物，经离心分离后真空干燥至恒重。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的引发剂为偶氮二异丁腈或过氧化苯甲酰，用量为所述的N-异丙基丙烯酰胺单体重量的0.2-3％。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的自由基聚合反应的反应温度为60-90℃，反应时间为12-24小时。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的聚N-异丙基丙烯酰胺的重均分子量为37000-47000，多分散指数为1.4-2.1。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，聚N-异丙基丙烯酰胺在5-25℃配制成质量百分比浓度为0.3-0.5％的水溶液，在40-60℃恒温搅拌，制得溶液A。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，将正硅酸乙酯分散到去离子水中，正硅酸乙酯和水的体积比为1∶8，在40-60℃恒温预水解3小时，制得溶液B。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的聚N-异丙基丙烯酰胺与正硅酸乙酯的重量比为1∶8-16。
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