CN109110770A - 二氧化硅-胺复合干凝胶作为固体碱制备多孔二氧化硅微球的方法 - Google Patents

二氧化硅-胺复合干凝胶作为固体碱制备多孔二氧化硅微球的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及二氧化硅‑胺复合干凝胶作为固体碱制备多孔二氧化硅微球的方法。以正硅酸乙酯（TEOS）作为硅源，表面活性剂十六烷基三甲基溴化（CTAB）作为模板剂，蒸馏水和乙醇作为助溶剂，二氧化硅‑胺复合凝胶作为固体碱来催化正硅酸乙酯的水解缩聚，合成二氧化硅—表面活性剂复合微球前驱体，经煅烧后获得多孔二氧化硅微球。该方法避免使用高挥发性、高刺激性的化学品氨水以及高腐蚀性、在空气易吸潮的氢氧化钠，改善工作环境，并增加合成的可控性。其它条件相同时，采用二氧化硅‑胺复合凝胶作为固体碱催化合成的多孔二氧化硅微球较采用氨水时在相同pH值时所合成的球体尺寸更均匀，团聚减少。此外，固体碱释放的游离胺可起到助表面活性剂的作用，有助于扩大多孔二氧化硅微球的孔直径。

Description

二氧化硅-胺复合干凝胶作为固体碱制备多孔二氧化硅微球 的方法
技术领域
本发明涉及多孔二氧化硅微球的合成，特别是二氧化硅-胺复合干凝胶做为固体碱替代氨水或氢氧化钠来合成多孔二氧化硅微球，属于材料制备新技术领域。
背景技术
多孔二氧化硅具有高的比表面积、孔容，理化性能优异，并且无毒、无味、生物相容性好，可以作为高效吸附剂来处理染料、重金属离子污染的废水，还可做为催化剂、药物、固定化酶的载体使用。
多孔二氧化硅微球具有较高的力学稳定性，良好的流动性和易填充性，在高效液相色谱技术领域常被做为固定相使用，用于分离有机和生物分子，提高液相色谱的效率和准确性。
合成二氧化硅微球最著名的方法是由W.等人最先报道的正硅酸乙酯(TEOS)在碱性体系中发生水解和缩聚反应的溶胶-凝胶法，现称为法。这种方法最终得到的是无孔微球。很多科研工作者对此方法进行了改进，以期获得多孔二氧化硅微球。最著名的就是德国的Unger小组报道的在合成体系的基础上加入表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)做为孔的模板剂。合成体系原料的典型比例为 1TEOS:0.3CTAB:11NH3:144H2O:58EtOH。在此体系中，TEOS在碱性条件下水解缩聚形成的物种与CTAB在溶液中形成的胶束自组装形成二氧化硅—表面活性剂复合微球前驱体，经煅烧后获得多孔二氧化硅微球。此方法称为“改进的法”。由改进的法方法制得的多孔二氧化硅微球的比表面积高达1100m2/g，孔容达0.78mL/g；但扫描电镜观察结果显示，所得球体大小不一，且团聚现象严重，分散性很差。这就无疑会影响产品质量和使用性能。获得分散性好、尺寸均匀的多孔二氧化硅微球是改进的法需进一步提升和完善的地方。
上述合成多孔二氧化硅微球方法的基础是TEOS在氨水提供的碱性条件下发生水解缩聚反应。氨水具有超强的挥发性，因而会在实际使用量上造成一定程度的偏差；此外，氨水还具有强烈的刺激性气味，对人体健康和环境造成不利影响。NaOH可用于替代氨水，但其在空气极易吸潮，称量时就有一定的误差；吸潮的NaOH具有超强的腐蚀性，对称量仪器和操作者形成安全隐患。因此，在“改进的法”中使用氨水或者氢氧化钠作为碱催化剂来合成多孔二氧化硅微球，存在合成体系偏离实际设计组成、不易控制、且操作人员及环境受到不利影响等问题。
发明内容
针对以上不足，本发明提供了一种二氧化硅-胺复合干凝胶作为固体碱制备多孔二氧化硅微球的方法，二氧化硅-胺复合干凝胶作为固体碱替代氨水或氢氧化钠，改善了工作环境，大大减小了实验过程可能对人体健康造成的损害，提高了实验可控性，并且在反应体系 pH值相同时，较使用氨水时所得微球的尺寸较均匀，分散性提高。
本发明是通过以下技术措施实现的。首先，在含有乙醇、水、丁胺、TEOS的体系中合成二氧化硅-胺复合干凝胶，该二氧化硅-胺复合干凝胶在水溶液中可逐渐释放出胺，使溶液具有碱性。具体方法是：以正硅酸乙TEOS和水作为反应物，乙醇作为助溶剂，丁胺作为催化剂，TEOS经水解-缩聚制得二氧化硅-胺复合干凝胶；其中，TEOS、乙醇、蒸馏水、丁胺的摩尔比为1:30:12:1.67。
进一步的，合成二氧化硅-胺复合干凝胶的具体步骤如下：
(1)水与乙醇置于容器中，蒙上一层保鲜膜，搅拌10min，混合均匀；
(2)向(1)中加入丁胺,继续搅拌30min；
(3)向(2)的混合液加入TEOS，继续搅拌4min；
(4)静置9min至完全凝胶，再静置老化1h；
(5)将容器连同保鲜膜盖一起放入80℃烘箱中干燥4min；
(6)移除保鲜膜，样品在室温晾置15min；
(7)将烧杯放置80℃烘箱中干燥5min，得到最终二氧化硅-胺复合干凝胶。
上述制得的凝胶加入水溶液中，迅速释放出其中的胺，约五分钟后溶液pH值接近平衡。最终溶液的pH值的大小主要与合成凝胶时所用丁胺量、步骤(5)和步骤(7)中的干燥条件有关。
本发明还提供了一种采用上述制得的二氧化硅-胺复合干凝胶作为作为固体碱替代氨水来合成多孔二氧化硅微球的方法。由于二氧化硅-胺复合干凝胶在水溶液中可释放出胺，胺再水解，使溶液具有碱性，从而可以替代氨水催化TEOS的的水解、缩聚反应。
合成多孔二氧化硅微球的方法是：以二氧化硅-胺复合干凝胶作为固体碱催化剂，替代氨水，以TEOS和水作为反应物，乙醇作为助溶剂，CTAB为模板剂，制得多孔二氧化硅微球。优选的，TEOS、乙醇、水、CTAB的摩尔比为1:30:139:0.15。
合成多孔二氧化硅微球的具体步骤如下：
(1)称取二氧化硅-胺复合干凝胶于容器a中，加入水静置至凝胶变透明，备用；
(2)在容器b中加入水和乙醇，在磁力搅拌器上搅拌10min；
(3)将容器a中混合物倒入容器b的溶液中，待混合液体pH稳定时，将全部液体倾倒入容器c中；
(4)在容器c中加入CTAB，放置磁力搅拌器搅拌30min；
(5)加入TEOS，在磁力搅拌器上搅拌2h，反应结束；
(6)过滤、洗涤、收集样品；
(7)样品于100℃烘箱中烘干2h；
(8)烘干样品以1℃/min升温速率升温至550℃保温6h，冷却至室温，得到多孔二氧化硅微球。
进一步的，上述步骤(1)中二氧化硅-胺复合干凝胶的质量为总加水质量的5.45％。
进一步的，上述步骤(1)中水占总加水量的27.3％。
进一步的，上述步骤(1)中干燥的二氧化硅-胺复合干凝胶乳浊不透明，在水中吸水后逐渐变透明。
进一步的，上述步骤(3)中混合液体的pH值稳定在10.55.
上述步骤(3)中将将液体全部倾倒出来，而二氧化硅-胺复合干凝胶留在烧杯b中，因其中还有未完全释放出的胺，可做为固体碱有限次重复使用。
按上述方法制得的多孔二氧化硅微球的比表面积为963m2/g,孔容为0.5819mL/g，孔径为2.2nm。与在相同TEOS、乙醇、水、CTAB的体系中添加1.64mol氨水调制成相同的 pH值10.55条件下合成的多孔二氧化硅微球相比，由本发明方法制得的多孔二氧化硅微球的孔径增大，均匀、分散性提高。这是由于丁胺是带有烷基链的有机分子，从二氧化硅-胺复合干凝胶释放到水中的胺同时起到助表面活性剂和位阻作用。
本发明的有益之处：本发明在合成多孔二氧化硅微球时，用先期合成的二氧化硅-胺复合干凝胶替代传统的氨水，改善了工作环境，大大减小了实验过程可能对人体健康造成的损害；由于在多孔二氧化硅微球合成过程中无氨水的挥发，提高了实验可控性，并且同等反应条件下所得微球较使用氨水时尺寸较均匀，分散性提高。此外，固体碱释放的游离丁胺可做助表面活性剂的作用，有助于扩大多孔二氧化硅微球的孔直径。
附图说明
图1为实施例1所得二氧化硅-胺复合干凝胶在水溶液中的pH变化曲线。
图2为实施例2所得的多孔氧化硅微球的扫描电镜照片。
图3为对比例中采用氨水制得的多孔二氧化硅微球的扫描电镜照片。
图4为实施例2和对比例所得多孔二氧化硅微球的孔径分布曲线，其中曲线a为实施例2所得多孔二氧化硅微球的孔径分布曲线，曲线b为对比例所得多孔二氧化硅微球的孔径分布曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。采用氮气等温吸附仪(Autosorb iQ-C)测定样品N2等温吸附曲线，根据BET模型计算比表面积，根据BJH模型计算孔径分布曲线，曲线峰值取为孔径。
具体实施例如下：
实施例1
(1)12mol水与30mol乙醇置于容器中，蒙上一层保鲜膜，搅拌10分钟，混合均匀；
(2)向(1)中加入1.67mol丁胺,继续搅拌30min；
(3)向(2)的混合液加入1mol TEOS，继续搅拌4min；
(4)静置9min至完全凝胶，再静置老化1h；
(5)将容器连同保鲜膜盖一起放入80℃烘箱中干燥4h；
(6)移除保鲜膜，样品在室温晾置15h；
(7)将烧杯放置80℃烘箱中干燥5h，得到最终二氧化硅-胺复合干凝胶。
所得二氧化硅-胺复合干凝胶在水溶液中呈碱性。所得二氧化硅-胺复合干凝胶在水溶液中呈碱性，其中水溶液中pH值如图1所示。
实施例2
(1)称取136.3g二氧化硅-胺复合干凝胶于容器a中，加入38mol水静置至凝胶变透明，备用；
(2)在容器b中加入101mol水和30mol乙醇，在磁力搅拌器上搅拌10分钟；
(3)将容器a中混合物倒入容器b的溶液中，待混合液体pH稳定时，将全部液体倾倒入容器c中；
(4)在容器c中加入0.15mol CTAB，放置磁力搅拌器搅拌30min；
(5)加入1mol TEOS，在磁力搅拌器上搅拌2h，反应结束；
(6)过滤、洗涤、收集样品；
(7)样品于100℃烘箱中烘干2h；
(8)烘干样品以1℃/min升温速率升温至550℃保温6h，冷却至室温，得到多孔二氧化硅微球。
所得多孔二氧化硅微球的SEM图片如图2所示。可见微球颗粒较均匀，分散性较好。其比表面积为963m2/g,孔容为0.5819mL/g，孔径为2.2nm。
对比例
氨水合成多孔二氧化硅微球
(1)在烧杯中加入139mol蒸馏水和30mol乙醇，在磁力搅拌器上搅拌10min；
(2)向烧杯中加入1.64mol氨水，在磁力搅拌器上搅拌10min；测定混合溶液的pH值为10.55；
(3)向烧杯中加入0.15mol CTAB，在磁力搅拌器搅拌30min；
(4)向烧杯中加入1mol正硅酸乙酯，在磁力搅拌器上搅拌2h，反应结束；
(5)过滤、用蒸馏水洗涤、收集样品；
(6)样品于100℃烘箱中烘干2h；
(7)烘干样品以1℃/min升温速率升温至550℃保温6h，冷却至室温得到多孔二氧化硅微球。
所得多孔二氧化硅微球的SEM图片如图3所示。可见微球颗粒大小不均匀，团聚明显，分散性差。所得二氧化硅微球的比表面积为1379m2/g,孔容为0.7419mL/g，孔径为2.0nm，孔径较实施例2所得的多孔二氧化硅微球的孔径小(图4)。

Claims (6)

1.一种制备多孔二氧化硅微球的方法，其特征是：以二氧化硅-胺复合干凝胶作为固体碱催化剂，替代氨水，以正硅酸乙酯（TEOS）和水作为反应物，乙醇作为助溶剂，十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为模板剂，制得多孔二氧化硅微球，所述二氧化硅-胺复合干凝胶的制备方法为：以TEOS和水作为反应物，乙醇作为助溶剂，丁胺作为催化剂，TEOS水解-缩聚制得二氧化硅-胺复合干凝胶；其中，TEOS、乙醇、蒸馏水、丁胺的摩尔比为1:30:12:1.67。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：制备多孔二氧化硅微球时，TEOS、乙醇、水、CTAB的摩尔比为1:30:139:0.15。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：二氧化硅-胺复合干凝胶的制备具体包括以下步骤：
水与乙醇置于容器中，蒙上一层保鲜膜，搅拌10min，混合均匀；
向（1）中加入丁胺, 继续搅拌30min；
向（2）的混合液加入TEOS，继续搅拌4min；
静置9min至完全凝胶，再静置老化1h；
将容器连同保鲜膜盖一起放入800oC烘箱中干燥4h；
移除保鲜膜，样品在室温晾置15h；
将烧杯放置80oC烘箱中干燥5h， 得到最终二氧化硅—胺复合干凝胶。
4.根据权利要求1和权利要求2所述的制备方法，其特征是：多孔二氧化硅微球的制备具体包括以下步骤：
称取二氧化硅-胺复合干凝胶于容器a中，加入水静置至凝胶变透明，备用；
（2） 在容器b中加入水和乙醇，在磁力搅拌器上搅拌10分钟；
（3） 将容器a中混合物倒入容器b的溶液中，待混合液体pH稳定时，将全部液体倾倒入容器c中；
（4） 在容器c中加入CTAB，放置磁力搅拌器搅拌30min；
（5） 加入TEOS，在磁力搅拌器上搅拌2h，反应结束；
（6） 过滤、洗涤、收集样品；
（7） 样品于100oC烘箱中烘干2h；
（8） 烘干样品以1oC/min升温速率升温至550oC保温6h，冷却至室温，得到多孔二氧化硅微球。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中二氧化硅-胺复合干凝胶的质量为总加水质量的5.45%。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中水占总加水量的27.3%。
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