CN102133513A - 单分散性多孔无机微球的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种单分散性多孔无机微球的制备方法。以功能化的多孔聚合物微球为模板，控制无机物前驱体的水解缩合反应在微球的孔内进行，生成聚合物/无机物复合微球，去除模板可以得到多孔无机微球。本发明提供的多孔无机微球和模板微球大小相同，未见尺寸缩小现象，且产率达到98％以上，无机微球的化学性质稳定，机械强度高，在色谱分析、生物分离、废水处理、催化剂载体、固定化酶等领域中具有潜在的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及无机微球材料的技术领域，特别涉及一种单分散性多孔无机微球及其制备方法。
背景技术
多孔无机微球由于其具有较高的机械强度、耐热、耐溶剂性能、易于表面功能化修饰以及生物相容性等特点，已经在催化剂载体、固定化酶、废水处理、高效液相色谱等应用领域中展现出诱人的应用前景。为了满足以上各领域中的应用要求，无机微球的大小要求控制在1到10微米之间，且粒径分布均匀，同时还要求微球具有可控的孔径分布。目前，采用传统的溶胶-凝胶法可以制备出几十到几百纳米的单分散性无机微球。但是，对于微米尺度的单分散性无机微球的制备仍然是个难点。因此，合成尺寸均一、微米尺度的多孔无机微球一直是当前研究的重点课题。
中国专利(CN101214962)公开了一种复合模板法制备介孔二氧化硅微球的方法，其步骤为：向氨水溶液中加入模板剂和助模板剂，加热至30-80℃，反应结束后去除模板剂，即可得到粒径为100纳米左右的介孔结构二氧化硅微球。
中国专利(CN1124715)公开了一种多孔性二氧化硅微球的制备方法，即采用生物细胞的细胞壁或细胞膜作为模板，将含有硅酸酯类化合物和致孔剂加入，并分散在水相体系中，通过两阶段的水解缩合和凝胶化反应，制备成粒径在1-200微米的多孔二氧化硅微球，但是其粒径分布较宽。
中国专利(CN101289190)公开了一种中空二氧化硅微球的制备方法，即采用带有正电荷的聚苯乙烯微球为模板，利用碱作为催化剂，使硅烷偶联剂在聚苯乙烯微球表面缩合水解，同时将聚苯乙烯微球刻蚀掉后形成中空二氧化硅微球。
中国专利(CN200810202772.8)公开了一种介孔二氧化硅微球的制备方法，即采用四头季铵盐阳离子表面活性剂为结构导向剂，在碱性条件下，通过溶胶凝胶法合成介孔结构的二氧化硅微球。
与本发明相关的高分子微球模板法制备多孔无机微球的方法(参见Adv.Mater.2002，14，1768-1772；美国专利US0,088,470)是以多孔聚苯乙烯微球为模板，用盐酸浸泡过夜后，加入无机物前驱体，水解缩合反应，去除高分子模板得到多孔无机微球。但是采用该方法最后得到的多孔无机微球的尺寸比原来的模板微球缩小了20-50％，其产率只有40％左右。
因此，探讨一种微米尺度、孔径可控、单分散性多孔无机微球的制备方法是当前材料科学领域中亟需解决的关键问题。
发明内容
本发明针对背景技术中存在的问题，提出了一种单分散性多孔无机微球的制备方法，使其解决以上的不足，在保证无机微球单分散性的同时，能有效地控制微球的孔径、结构和形貌。
本发明的技术方案
本发明提供的一种单分散性多孔无机微球的制备方法，包括以下步骤：
(1)将多孔聚合物微球进行表面修饰，得到功能化的聚合物微球。
(2)将功能化的聚合物微球分散于醇/水体系中，加入氨水使其完全分散，加入无机物前驱体和醇的混合溶液，反应得到聚合物/无机物复合微球。
(3)去除聚合物模板，得到多孔无机微球。
上述的表面功能化反应的试剂是乙二胺、己二胺、四甲胺、聚乙烯胺、氨水及其衍生物中的一种。
上述的多孔聚合物微球是聚苯乙烯类和聚丙烯酸酯类及其衍生物，如聚甲基丙烯酸缩水甘油酯微球、聚甲基丙烯酸甲酯微球、聚苯乙烯微球、聚甲基丙烯酸缩水甘油酯-二甲基丙烯酸乙二醇酯共聚微球、聚苯乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚微球、聚苯乙烯-二乙烯基苯微球等。
上述聚合物微球的粒径从100纳米到1000微米；多孔聚合物微球的孔径从1纳米到1000纳米；聚合物微球的交联度为0.1％-99％。
上述聚合物微球可以是市售或通过聚合反应制备；聚合反应包括乳液聚合、无皂乳液聚合、微乳液聚合、细乳液聚合、分散聚合、悬浮聚合和种子聚合。
上述醇/水体系中的醇包括乙醇、甲醇、异丙醇、正丁醇和乙二醇中的一种。
上述的无机物前驱体和醇的混合溶液中无机物前驱体的含量可以为0.1％-100％；溶液的滴加速度为每小时10毫升-1000毫升。
上述的多孔无机微球的组成为二氧化硅、二氧化钛、二氧化锆和三氧化二铝中的一种及混合物。
本发明提供的一种单分散性多孔无机微球的制备方法，以多孔聚合物微球为模板，使无机物前驱体水解缩合反应在聚合物微球的孔内进行，生成聚合物/无机物复合微球，去除聚合物模板后，即可得到多孔无机微球。本发明提供的多孔无机微球和模板微球大小相同，未见尺寸缩小现象，且产率达到98％以上。
本发明提供的一种单分散性多孔无机微球的制备方法具有以下特点：
(1)制备的多孔无机微球大小均一，孔径大小可控；
(2)制备的多孔无机微球的化学性质稳定，机械强度高；
(3)制备工艺简单、价格便宜；
(4)容易进行扩大生产。
附图说明
图1为多孔结构的二氧化硅微球的扫描电镜照片
图2为中空网状结构的二氧化硅微球的扫描电镜照片
图3为分离苯胺、苯甲醚和甲苯的色谱图
图4为分离核糖核酸酶、胰岛素、溶菌酶和牛血清白蛋白的色谱图
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的描述：
1、多孔聚合物微球的功能化反应：
实施例1
取3.68g多孔聚甲基丙烯酸缩水甘油酯/二甲基丙烯酸乙二醇酯[P(GMA/EGDMA)]共聚微球(5μm)于250mL三颈瓶中，加入120mL水，超声20min使球完全分散开来。然后加入4g乙二胺(EDA)，80℃加热反应12h。所得到的微球反复用水洗，再用乙醇清洗多次，放于50℃真空干燥箱中干燥。
实施例2
取4.0g多孔P(GMA/EGDMA)微球(10μm)于250mL三颈瓶中，加入120mL水，超声20min使球完全分散开来。然后加入5g氨水，80℃加热反应12h。所得到的微球反复用水洗，再用乙醇清洗多次，放于50℃真空干燥箱中干燥。
2、多孔结构的二氧化硅微球的合成：
实施例3
取实施例1的多孔微球0.2g于500mL三颈瓶中，加入40mL去离子水，200mL异丙醇，0.5mL四丁基溴化铵和1mL 28％氨水后超声10min。将5mL含有10％正硅酸乙酯(TEOS)的异丙醇溶液在1h内滴加至反应体系中，室温下反应24h。得到的聚合物/二氧化硅复合微球用乙醇和丙酮反复洗涤后，放于50℃真空干燥箱中干燥。将干燥好的聚合物/二氧化硅复合微球于马弗炉中，逐段升温至600℃，维持此温度灼烧6h，最后得到5μm的多孔二氧化硅微球。
实施例4
取实施例2的多孔微球0.4g于500mL三颈瓶中，加入40mL去离子水，200mL异丙醇和1mL 28％氨水后超声10min。将10mL含有10％正硅酸乙酯(TEOS)的乙醇溶液在1h内滴加至反应体系中，室温下反应24h。得到的聚合物/二氧化硅复合微球用乙醇和丙酮反复洗涤后，放于50℃真空干燥箱中干燥。将干燥好的聚合物/二氧化硅复合微球于马弗炉中，逐段升温至600℃，维持此温度灼烧6h，最后得到10μm的多孔二氧化硅微球。
实施例5
取实施例1的多孔微球2g于500mL三颈瓶中，加入40mL去离子水，400mL异丙醇和5mL 28％氨水后超声10min。将50mL含有10％正硅酸乙酯(TEOS)的异丙醇溶液在2h内滴加至反应体系中，室温下反应24h。得到的聚合物/二氧化硅复合微球用乙醇和丙酮反复洗涤后，放于50℃真空干燥箱中干燥。将干燥好的聚合物/二氧化硅复合微球于马弗炉中，逐段升温至600℃，维持此温度灼烧6h，最后得到5μm的多孔二氧化硅微球。
4、多孔结构的二氧化钛微球的合成：
实施例6
取实施例1的多孔微球2g于500mL三颈瓶中，加入40mL去离子水，400mL异丙醇和5mL 28％氨水后超声10min。将50mL含有10％四异丙醇钛的异丙醇溶液在2h内滴加至反应体系中，室温下反应24h。得到的聚合物/二氧化硅复合微球用乙醇和丙酮反复洗涤后，放于50℃真空干燥箱中干燥。将干燥好的聚合物/二氧化硅复合微球于马弗炉中，逐段升温至600℃，维持此温度灼烧6h，最后得到5μm的多孔二氧化硅微球。
5、多孔结构的二氧化锆微球的合成：
实施例7
取实施例1的多孔微球2g于500mL三颈瓶中，加入40mL去离子水，400mL异丙醇和5mL 28％氨水后超声10min。将50mL含有10％正丙醇锆的乙醇溶液在2h内滴加至反应体系中，室温下反应24h。得到的聚合物/二氧化硅复合微球用乙醇和丙酮反复洗涤后，放于50℃真空干燥箱中干燥。将干燥好的聚合物/二氧化硅复合微球于马弗炉中，逐段升温至600℃，维持此温度灼烧6h，最后得到5μm的多孔二氧化硅微球。
6、多孔结构的三氧化二铝微球的合成：
实施例8
取实施例2的多孔微球2g于500mL三颈瓶中，加入40mL去离子水，400mL异丙醇，2mL四丁基溴化铵和5mL 28％氨水后超声10min。将50mL含有10％异丙醇铝的异丙醇溶液在2h内滴加至反应体系中，室温下反应24h。得到的聚合物/二氧化硅复合微球用乙醇和丙酮反复洗涤后，放于50℃真空干燥箱中干燥。将干燥好的聚合物/二氧化硅复合微球于马弗炉中，逐段升温至600℃，维持此温度灼烧6h，最后得到5μm的多孔二氧化硅微球。
7、中空网状结构的二氧化硅微球的合成：
实施例9
取实施例2的多孔微球0.4g于500mL三颈瓶中，加入40mL去离子水，200mL异丙醇，0.5mL四丁基氢氧化铵和1mL 28％氨水后超声10min。将10mL含有10％正硅酸乙酯(TEOS)的异丙醇溶液在1h内滴加至反应体系中，室温下反应24h。得到的聚合物/二氧化硅复合微球用乙醇和丙酮反复洗涤后，放于50℃真空干燥箱中干燥。将干燥好的聚合物/二氧化硅复合微球于马弗炉中，逐段升温至600℃，维持此温度灼烧6h，最后得到5μm的中空网状结构的二氧化硅微球。
实施例10
取实施例1的多孔微球取0.4g于500mL三颈瓶中，加入40mL去离子水，200mL乙醇，0.5mL四甲基氢氧化铵和1mL 28％氨水后超声10min。将10mL含有10％正硅酸乙酯(TEOS)的异丙醇溶液在1h内滴加至反应体系中，室温下反应24h。得到的聚合物/二氧化硅复合微球用乙醇和丙酮反复洗涤后，放于50℃真空干燥箱中干燥。将干燥好的聚合物/二氧化硅复合微球于马弗炉中，逐段升温至600℃，维持此温度灼烧6h，最后得到5μm的中空网状结构的二氧化硅微球。
实施例11
取实施例1的多孔微球0.4g于500mL三颈瓶中，加入40mL去离子水，200mL乙醇，0.5mL四丁基氢氧化铵和1mL 28％氨水后超声10min。将10mL含有10％正硅酸乙酯(TEOS)的异丙醇溶液在1h内滴加至反应体系中，室温下反应24h。得到的聚合物/二氧化硅复合微球用乙醇和丙酮反复洗涤后，放于50℃真空干燥箱中干燥。将干燥好的聚合物/二氧化硅复合微球于马弗炉中，逐段升温至600℃，维持此温度灼烧6h，最后得到10μm的中空网状结构的二氧化硅微球。
8、多孔二氧化硅微球的表面修饰：
实施例12
取实施例3的多孔二氧化硅微球10克于500mL三颈瓶中，加入5克十八烷基三甲氧基硅烷和200mL甲苯，充分混合后，回流24小时，清洗干燥后，得到C18修饰的多孔二氧化硅微球。
实施例13
取实施例5的多孔二氧化硅微球10克于500mL三颈瓶中，加入5克八烷基三甲氧基硅烷和200mL甲苯，充分混合后，回流24小时，清洗干燥后，得到C8修饰的多孔二氧化硅微球。
9、在高效液相色谱中的应用：
实施例14
将实施例12的多孔二氧化硅微球制成高效液相色谱柱，对苯胺、苯甲醚和甲苯的混合物进行色谱分离，所得到的色谱图如图3所示。
实施例15
将实施例12的多孔二氧化硅微球制成高效液相色谱柱，对核糖核酸酶、胰岛素、溶菌酶和牛血清白蛋白的混合物进行色谱分离，所得到的色谱图如图4所示。
Claims (9)
1.本发明提供的一种单分散性多孔无机微球的制备方法。采用功能化的多孔聚合物微球为模板，控制无机物前驱体的水解缩合反应在微球的孔内进行，生成聚合物/无机物复合微球，去除模板可以得到多孔无机微球。
2.按权利要求1所述的单分散性多孔无机微球的制备方法，其特征在于，所述的制造方法包括以下几个步骤：
(1)将多孔聚合物微球进行表面修饰，得到功能化的聚合物微球。
(2)将功能化的聚合物微球分散于醇/水体系中，加入氨水使其完全分散，加入无机物前驱体和醇的混合溶液，反应得到聚合物/无机物复合微球。
(3)去除聚合物模板，得到多孔无机微球。
3.按权利要求2所述的单分散性多孔无机微球的制备方法，其特征在于，所述的功能化反应的试剂是乙二胺、己二胺、四甲胺、聚乙烯胺、氨水及其衍生物。
4.按权利要求2所述的单分散性多孔无机微球的制备方法，其特征在于，所述的多孔聚合物微球是聚苯乙烯类和聚丙烯酸酯类及其衍生物。
5.按权利要求2所述的单分散性多孔无机微球的制备方法，其特征在于，所述的多孔聚合物微球的粒径从100纳米到1000微米；聚合物微球的孔径从1纳米到1000纳米；聚合物微球的交联度为0.1％-99％。
6.按权利要求2所述的单分散性多孔无机微球的制备方法，其特征在于，所述的醇/水体系中的醇包括乙醇、甲醇、异丙醇、正丁醇和乙二醇中的一种。
7.按权利要求2所述的单分散性多孔无机微球的制备方法，其特征在于，所述的多孔无机微球的组成为二氧化硅、二氧化钛、二氧化锆和三氧化二铝中的一种及混合物。
8.按权利要求2所述的单分散性多孔无机微球的制备方法，其特征在于，所述的多孔无机微球的粒径从100纳米到1000微米；多孔无机氧化物微球的孔径从1纳米到1000纳米。
9.按权利要求2所述的单分散性多孔无机微球的制备方法，其特征在于，所述的多孔无机微球能用于色谱填料、吸附剂和催化剂载体。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20110727 |