CN108311129A

CN108311129A - 具有大孔结构的二氧化硅@多孔聚合物核壳微球的制备方法

Info

Publication number: CN108311129A
Application number: CN201810160295.7A
Authority: CN
Inventors: 白泉; 夏红军
Original assignee: Northwest University
Current assignee: Northwest University
Priority date: 2018-02-27
Filing date: 2018-02-27
Publication date: 2018-07-24

Abstract

本发明公开了一种制备大孔二氧化硅@多孔聚合物核壳微球的新方法，其以无孔硅胶微球为核，利用十八烷基三氯硅烷对其进行表面疏水改性，然后以PVA和SDS为分散剂，加入单体GMA、交联剂EDMA以及制孔剂，通过乳液聚合过程制备出具有大孔径结构的二氧化硅@多孔聚合物核壳微球。本发明制备过程简单，条件温和，易于放大规模生产，制备得到的核壳微球表面为多孔的有机聚合物，具有较高的耐酸碱性能，扩大了核壳填料的应用范围，具有较大的孔径结构，尤其适用于生物分子的分离分析。

Description

具有大孔结构的二氧化硅@多孔聚合物核壳微球的制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有大孔结构的二氧化硅@多孔聚合物核壳微球的制备方法，属于色谱介质制备技术领域。

背景技术

核-壳型填料以其高柱效、高分辨和低背压的优越性能，被认为是全多孔硅胶填料的真正替代品，尤其适用于新样品和复杂样品的高效快速色谱分离，是超快HPLC 分析的理想工具。色谱分离材料是色谱发展的核心，制备壳层厚度和孔径尺寸可控的单分散核壳微球是色谱工作的热点之一。

目前市场上常用的核壳填料主要是表面多孔的二氧化硅核壳微球，该类型的填料一般是由实心的二氧化硅核和多孔的二氧化硅壳层组成，内层实心的核不仅增加填料的机械稳定性，同时增加了色谱床层的渗透性和热传导性，而多孔的二氧化硅壳层增加了材料的比表面积，提高了柱效和分辨率。硅胶基质色谱填料由于具有机械强度大、表面易改性等优点，是目前应用最为广泛的一类无机填料。但其存在着pH应用范围窄（2.0-8.0）、表面残余的硅羟基等缺陷，限制了其进一步的应用，尤其是在碱性蛋白质的分离分析方面。

聚合物型色谱填料具有化学稳定性及易于被衍生化的优点，并且对于样品的负载能力强，有较高的色谱容量，使得聚合物型色谱填料在反相、分子排阻、亲和色谱、离子交换以及疏水色谱中获得了广泛应用，因此聚合物型色谱填料越来越受到研究者和应用者的重视。Gu等以微米级无孔硅胶微球为核，以过硫酸钾为引发剂成功包覆厚度在125-410 nm范围内的聚苯乙烯壳层。Wakiya 等首先以偶氮二异丁腈为引发剂，以苯乙烯为单体，对微米级的无孔二氧化硅微球进行包覆，然后以壳层溶胀聚合的方式进一步增加壳层的厚度，壳层厚度达到 1μm，制备得到的核壳微球的壳层是无孔结构。

发明内容

本发明目的是提供一种具有大孔结构的二氧化硅@多孔聚合物核壳微球的制备方法。

本发明实现过程如下：

一种具有大孔结构的二氧化硅@多孔聚合物核壳微球的制备方法，包括以下步骤：以粒径为1-3 μm的单分散无孔二氧化硅微球为核，经疏水性硅烷偶联剂改性后，将改性无孔硅胶分散到含有表面活性剂的水溶液中，加入有机单体、交联剂和致孔剂，通过悬浮聚合法将有机单体聚合物均匀包覆到二氧化硅微球的表面，最后除去致孔剂，即可得到表面具有大孔结构的有机物包覆二氧化硅核壳微球，所述疏水性硅烷偶联剂为CH₃-(CH₂)_n-SiCl₃ ，n=2～20的整数。

所述表面活性剂水溶液为混合表面活性剂水溶液，其中聚乙烯醇（PVA）的质量百分比浓度为1-5 %，十二烷基硫酸钠（SDS）的质量百分比浓度为0.1-0.5 %。其中PVA提供位阻保护作用、SDS提供静电保护作用以避免微球间的粘连和团聚。

所述有机单体为甲基丙烯酸缩水甘油酯，交联剂为乙二醇二甲基丙烯酸酯，所述致孔剂选自甲苯、十三烷、环己醇、乙酰丙酸丁酯和甲基丙酰丁酯。

通过调节有机单体甲基丙烯酸缩水甘油酯和二氧化硅核的质量比，实现壳层厚度在100~500 nm范围内可控，调节致孔剂和有机单体间的质量比实现孔径尺寸在30~100 nm范围内可控。

本发明具有较大孔径结构的二氧化硅@多孔聚合物核壳微球是由实心的二氧化硅核和多孔的聚合物壳层组成，内层实心的核不仅增加填料的机械稳定性，同时增加了色谱床层的渗透性和热传导性，最主要是的减小了溶质在填料中的分散路径，这些因素能减低范迪姆斯方程中的B项和C项，提高理论塔板数；而多孔的有机物壳层增加了材料的比表面积，提高了柱效和分辨率，同时扩大了核壳填料的应用范围，尤其适用于对生物大分子的分离分析。本发明所制备的具有较大孔径结构的二氧化硅@多孔聚合物核壳微球，其多孔聚合物壳层具有较高的化学稳定性能应用于较宽的pH范围，且多孔壳层的孔径尺寸较大，尤其适用于对生物大分子的快速分离分析。

本发明的有益效果：

1、本发明采用悬浮聚合的方法制备出具有较大孔径结构的二氧化硅@多孔聚合物核壳微球，制备工艺简单，原料廉价，易于控制和放大；

2、利用多孔聚合物壳层包覆无孔二氧化硅微球，其多孔壳层较强的耐酸碱性能扩大了核壳填料的应用范围；

3、利用惰性有机小分子为致孔剂，制备出具有较大尺寸的孔径结构，尤其适用于对生物大分子的快速分析分析；

4、通过调节单体与致孔剂的比例，实现大孔孔径在30~100 nm范围内可控；通过调节有机单体和硅核的比例，实现壳层厚度在200~500 nm范围内可控；

5、较大的大孔尺寸的核壳二氧化硅微球具有更好的通透性，装填的色谱柱的柱压较低，有利于实现对生物大分子的快速高效的分离分析；

6、该核壳微球表面富含环氧基团，易于表面修饰改性，改性后会衍生出大量的羟基，特别适合于生物大分子的分离纯化。

附图说明

图1是本发明制备二氧化硅@多孔聚合物核壳微球的路线图；

图2是本发明所制备的无孔二氧化硅微球的扫描电镜图片；

图3是本发明所制备的二氧化硅@多孔聚合物核壳微球的扫描电镜图片；

图4是本发明所制备的二氧化硅核壳微球的透射电镜图片；

图5是本发明所制备的二氧化硅@多孔聚合物核壳微球的孔径分布图。

具体实施方式

以下通过实例对本发明作进一步的描述。

实施例1

二氧化硅@多孔聚合物核壳微球的制备方法包括以下步骤（如图1）：

（1）无孔二氧化硅微球的制备

首先在干净三口瓶中加入200-300mL无水乙醇，适量的水和氨水以及适量的电解质氯化钾，超声分散均匀，在室温下搅拌30min。然后将适量的TEOS滴加到上述混合溶液中，TEOS用无水乙醇进行稀释，TEOS的稀释浓度为5-50%。滴加完成后，保持反应条件不变，继续反应3h。反应结束后，先用离心机离心，3000r/min离心5分钟，用G₅的玻璃砂芯漏斗过滤，先用蒸馏水洗涤至中性，再用无水乙醇洗涤，真空干燥箱50°C干燥12h。

（2）无孔二氧化硅的表面改性

称取 2.0 g活化后的硅胶微球，在 120 ℃ 条件下干燥 6 小时。然后分散于干燥的甲苯中，超声分散均匀，加入1-4 mL 十八烷基三氯硅烷，在 125 ℃ 下回流 24 小时。得到的产品通过低压抽滤除去杂质，真空干燥后待用。

（3）二氧化硅@多孔聚合物核壳微球的制备方法

取 0.9 g 改性硅胶微球，加 60 mL SDS水溶液超声分散 20 min，然后加 30 mL PVA水溶液超声分散 10 min，30℃ 中速搅拌。接下来将 0.025-0.135 g BPO（过氧化二苯甲酰）、0.45-1.35 mL GMA（甲基丙烯酸缩水甘油酯）、0.45-1.35 mL EDMA（二甲基丙烯酸乙二醇酯）、0.9-2.7 ml甲基丙酰丁酯分散到 20 mL SDS和 10 mL PVA的混合溶液中，超声乳化至分散均匀。然后在低转速下，将分散好的单体混合溶液滴加到硅胶悬浮溶液中。30 ℃ 下反应 6 小时。然后通氮气 30 分钟，升温至 70 ℃，继续反应 12 小时，用去离子水将所得产物在 2000 rpm下离心三次，然后用大量热水洗涤，至滤液无泡沫，最后用无水乙醇洗涤一次，60 ℃ 干燥过夜。其中SDS的浓度为0.1-0.5 %，PVA的浓度为1-5 %。

实施例2

（1）实心二氧化硅微球的制备

根据参考文献[H. Nakabayashi, A. Yamada, M. Noba, Y. Kobayashi, M. Konno,D. Nagao, Langmuir 26 (2010) 7512-7515]制备微米级二氧化硅实心微球，典型的方法为：A液配制：取干净试剂瓶，加入200-300 mL无水乙醇，适量的水和氨水以及适量的电解质，配成300 mL的混合溶液，超声10 min备用。

B液配制：将适量的TEOS加入与一定量的无水乙醇配成稀释的溶液，超声10 min备用。

将A液加入到1000 mL三口烧瓶，控制滴速在0.8 mL/min以内缓慢滴加B液，在适当温度下，在一定搅拌速度下反应，待TEOS滴加完毕，保持反应条件不变，继续反应3h。

反应结束后，先用离心机离心，3000 r/min离心5 min，用G₅的玻璃砂芯漏斗过滤，先用蒸馏水洗涤至中性，再用无水乙醇洗涤。放真空干燥箱50°C干燥12h。选择粒径为2.1μm微球为核，微球形貌见图2。

（2）无孔二氧化硅微球的表面改性

称取 2.0 g实心二氧化硅微球，在 120 ℃ 条件下干燥 6 小时。然后分散于干燥的甲苯中，超声分散均匀，加入3 mL 十八烷基三氯硅烷，在 125 ℃ 下回流 24 小时。得到的产品通过低压抽滤除去杂质，真空干燥后待用。

（3）二氧化硅@多孔聚合物核壳微球的制备

取 0.9 g 改性硅胶微球，加 60 mL 0.35% SDS超声分散 20 min，然后加 30 mL 4%的 PVA超声分散 10 min，30 ℃ 中速搅拌。接下来将 0.025 g BPO、0.45 mL GMA、0.45 mLEDMA、0.9 ml乙酰丙酸丁酯分散到 20 mL SDS和 10 mL PVA的混合溶液中，超声乳化至分散均匀。然后在低转速下，将分散好的单体混合溶液滴加到硅胶悬浮溶液中。30 ℃ 下反应6 小时。然后通氮气 30 分钟，升温至 70 ℃，继续反应 12 小时，用去离子水将所得产物在 2000 rpm下离心三次，然后用大量热水洗涤，至滤液无泡沫，最后用无水乙醇洗涤一次，60 ℃ 干燥过夜。

实施例3

取实例2中 0.9 g 改性硅胶微球，加 60 mL 0.15% SDS超声分散 20 min，然后加 30mL 5% 的 PVA超声分散 10 min，30 ℃ 中速搅拌。接下来将 0.05 g BPO、0.9 mL GMA、0.9mL EDMA、1.8 ml乙酰丙酸丁酯分散到 20 mL SDS和 10 mL PVA的混合溶液中，超声乳化至分散均匀。然后在低转速下，将分散好的单体混合溶液滴加到硅胶悬浮溶液中。30 ℃ 下反应 6 小时。然后通氮气 30 分钟，升温至 70 ℃，继续反应 12 小时，用去离子水将所得产物在 2000 rpm下离心三次，然后用大量热水洗涤，至滤液无泡沫，最后用无水乙醇洗涤一次，60 ℃ 干燥过夜。微球的形态和孔径分布表征见图3-5。

实施例4

取实例2中 0.9 g 改性硅胶微球，加 60 mL 0.25% SDS超声分散 20 min，然后加 30mL 5% 的 PVA超声分散 10 min，30 ℃ 中速搅拌。接下来将 0.08 g BPO、1.35 mL GMA、1.35 mL EDMA、2.7 ml乙酰丙酸丁酯分散到 20 mL SDS和 10 mL PVA的混合溶液中，超声乳化至分散均匀。然后在低转速下，将分散好的单体混合溶液滴加到硅胶悬浮溶液中。30℃ 下反应 6 小时。然后通氮气 30 分钟，升温至 70 ℃，继续反应 12 小时，用去离子水将所得产物在 2000 rpm下离心三次，然后用大量热水洗涤，至滤液无泡沫，最后用无水乙醇洗涤一次，60 ℃ 干燥过夜。

实施例5

取实例2中 0.9 g 改性硅胶微球，加 60 mL 0.45% SDS超声分散 20 min，然后加 30mL 5% 的 PVA超声分散 10 min，30 ℃ 中速搅拌。接下来将 0.11 g BPO、1.8 mL GMA、1.8mL EDMA、3.6 ml乙酰丙酸丁酯分散到 20 mL SDS和 10 mL PVA的混合溶液中，超声乳化至分散均匀。然后在低转速下，将分散好的单体混合溶液滴加到硅胶悬浮溶液中。30 ℃ 下反应 6 小时。然后通氮气 30 分钟，升温至 70 ℃，继续反应 12 小时，用去离子水将所得产物在 2000 rpm下离心三次，然后用大量热水洗涤，至滤液无泡沫，最后用无水乙醇洗涤一次，60 ℃ 干燥过夜。

Claims

1.一种具有大孔结构的二氧化硅@多孔聚合物核壳微球的制备方法，其特征在于：以粒径为1-3 μm的单分散无孔二氧化硅微球为核，经疏水性硅烷偶联剂改性后，将改性无孔硅胶分散到含有表面活性剂的水溶液中，加入有机单体、交联剂和致孔剂，通过悬浮聚合法将有机单体聚合物均匀包覆到二氧化硅微球的表面，最后除去致孔剂，即可得到表面具有大孔结构的有机物包覆二氧化硅核壳微球，所述疏水性硅烷偶联剂为CH₃-(CH₂)_n-SiCl₃ ，n=2～20的整数。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述表面活性剂水溶液为混合表面活性剂水溶液，其中聚乙烯醇的质量百分比浓度为1-5 %，十二烷基硫酸钠的质量百分比浓度为0.1-0.5 %。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述有机单体为甲基丙烯酸缩水甘油酯，交联剂为乙二醇二甲基丙烯酸酯。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述致孔剂选自甲苯、十三烷、环己醇、乙酰丙酸丁酯和甲基丙酰丁酯。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：通过调节有机单体甲基丙烯酸缩水甘油酯和二氧化硅核的质量比，实现壳层厚度在100~500 nm范围内可控，调节致孔剂和有机单体间的质量比实现孔径尺寸在30~100 nm范围内可控。