CN111252772A - 一种调节二氧化硅孔径的方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种调节二氧化硅孔径的方法，其特征在于，包括：将待处理的二氧化硅进行一次扩孔处理，焙烧；将焙烧后得到二氧化硅进行二次扩孔处理，得到调节孔径后的二氧化硅。所述方法制备过程简单，实现了二氧化硅载体孔径孔容的可控调节，能够满足高效液相色谱法分离不同大小分子对硅胶填料孔径的需求，其孔径分布均匀的特点使其特别适合于用做高效液相色谱填料的基质，也可以满足高效催化剂载体和高效吸附剂等的需要。
Description
技术领域
本申请涉及一种调节二氧化硅孔径的方法，属于材料制备方法领域。
背景技术
高效液相色谱法(HPLC)是发展最快和最广泛的仪器分析方法。随着化学，生物工程，制药工程，环境科学，生命科学等，以及食品安全，药物的实时检测受到越来越多的关注，人们寄期望高效液相色谱和现代测试仪器相结合，以解决复杂的分析问题。硅胶(SiO2)几乎是理想的高效液相色谱柱填料，在物理意义上其具有的可控粒径、比表面积、孔结构，优良的机械强度和较好的理化稳定性等优点[13]；在化学键合方面，硅胶表面丰富的硅羟基有利于进行化学键合，是硅胶基质与其他无机基质相比的另一个突出的特点。
分析型色谱柱填料的主流是硅胶基质填料，尤其是在高效液相色谱法的应用分析上，其应用远远比其他的无机基质填料和有机基质填料大。硅胶基质填料的制备工艺主要有四种，喷雾干燥法，生物微囊法，溶胶—凝胶法(SOL---GEL)，聚合诱导胶体凝聚法(PICA)。PICA法可以通过调整模版剂来控制颗粒的分布及形貌，是该方法同其它合成硅胶基质微球的方法相比所显示出来的最大的优势。但PICA法的特点是多孔微球的孔径通过所选胶粒的大小来控制，生产出商品化的硅胶孔径较小，一般为4-10nm，而在生物大分子的分离纯化过程中，要较好的分离分子量不同的生物大分子，就需要具有不同孔径的液相色谱固定相。为了快速、高活性地分离分子量不同的生物大分子，需要调节硅胶的孔径。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供了一种调节二氧化硅孔径的方法，该方法克服了传统高温焙烧扩孔法导致硅胶表面羟基丧失的缺点，且制备过程简单，实现了二氧化硅载体孔径孔容的可控调节，能够满足高效液相色谱法分离不同大小分子对硅胶填料孔径的需求，其孔径分布均匀的特点使其特别适合于用做高效液相色谱填料的基质，也可以满足高效催化剂载体和高效吸附剂等的需要。
用本申请中所述方法能够实现硅胶微球孔径的可控调节，采用两次扩孔处理，避免了高温焙烧扩孔法焙烧过程导致表面羟基丧失，并且使用可水洗掉的扩孔剂，用本方法调节孔径后，不仅硅胶表面含有丰富的硅羟基，而且在反应后可用水洗的方式去除扩孔剂的残留，整个扩孔过程反应均匀，扩孔后的多孔硅球孔径分布均匀，且表面含有大量羟基，易于键合，这是其他的扩孔方法无法比拟的。
本申请中所述方法采用液相及水热反应对硅胶填料孔径进行调节，从而满足不同分子量的生物大分子分离，提高液相色谱分离柱效和分离度。
所述调节二氧化硅孔径的方法，其特征在于，包括：
(1)将待处理的二氧化硅进行一次扩孔处理，焙烧；
(2)将步骤(1)中焙烧后得到二氧化硅进行二次扩孔处理，得到调节孔径后的二氧化硅。
可选地，所述待处理的二氧化硅为二氧化硅球。
可选地，所述待处理的二氧化硅为二氧化硅微球。
可选地，步骤(1)中所述一次扩孔处理为在含有扩孔剂的存在下液相反应。
可选地，所述液相反应的条件为40～90℃反应8～96h。
可选地，所述液相反应的溶剂为水醇溶液。
可选地，所述液相反应的温度为50～80℃。
可选地，所述液相反应的时间为10～72h。
可选地，所述液相反应的温度上限选自50℃、60℃、70℃、80℃或90℃；下限选自40℃、50℃、60℃、70℃或80℃。
可选地，所述水醇溶液中醇包括甲醇、乙醇、异丙醇中的至少一种。
可选地，所述水醇溶液中醇选自甲醇、乙醇、异丙醇中的至少一种。
可选地，所述醇溶液为甲醇、乙醇、异丙醇中的一种或其组合。优选为乙醇和异丙醇的一种或其组合。
可选地，所述液相反应中待处理二氧化硅、扩孔剂、水和醇的质量比为10：0.01～20：20～60：5～20。
可选地，所述液相反应中待处理二氧化硅、扩孔剂、水和醇的质量比为10：0.05～10：30～50：8～15。
可选地，所述扩孔剂可用水洗去除。
可选地，所述扩孔剂选自氨水、尿素、有机胺、碱金属的氢氧化物、碱金属的盐中的至少一种。
可选地，所用的扩孔剂为氨水、尿素、有机胺，碱金属的氢氧化物，碱金属的盐溶液中的一种或其组合，优选为氨水、乙二胺、四甲基氢氧化胺，K/NaOH，K/Na的盐溶液中的一种或其组合。
可选地，所述有机胺包括乙二胺、四甲基氢氧化铵中的至少一种。
可选地，所述碱金属的氢氧化物选自氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂中的至少一种。
可选地，所述碱金属的盐选自碱金属的硝酸盐、碱金属的氯化物、碱金属的碳酸盐中的至少一种。
可选地，步骤(1)中所述焙烧的条件为500～800℃焙烧2～48h。
可选地，所述焙烧的时间为2～8h。
可选地，所述焙烧的温度上限选自550℃、600℃、650℃、700℃、750℃或800℃；下限选自500℃、550℃、600℃、650℃、700℃或750℃。
可选地，步骤(2)中所述二次扩孔处理为在扩孔剂的存在下水热处理。
可选地，所述水热处理的温度为40～300℃，时间为12～96h。
可选地，所述水热处理的温度为70～260℃。
可选地，所述水热处理的温度为50～280℃。
可选地，所述水热处理的温度上限选自50℃、60℃、70℃、80℃、100℃、120℃、150℃、200℃、230℃、250℃、260℃、280℃或300℃；下限选自40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、100℃、120℃、150℃、200℃、230℃、250℃、260℃或280℃。
可选地，所述水热处理的时间为12～36h。
可选地，所述水热处理中焙烧后得到二氧化硅、扩孔剂和水的质量比为10：1～30：50～200。
可选地，所述水热处理中焙烧后得到二氧化硅、扩孔剂和水的质量比为10：3～20：80～150。
可选地，所述扩孔剂选自氨水、尿素、有机胺、碱金属的氢氧化物、碱金属的盐溶液中的至少一种。
可选地，步骤(2)中所述二次扩处理后进行洗涤；
所述洗涤包括酸洗。
可选地，所述酸洗的条件为：5～35wt％HCl在80～120℃回流2～10h。
可选地，所述酸洗的条件为：10～25wt％HCl在100℃回流3～8h。
可选地，所述回流的温度为100℃。
可选地，所述洗涤还包括水洗和醇洗。
可选地，所述方法包括：
(a)对需要进行扩孔的二氧化硅微球进行一次扩孔处理：将二氧化硅微球分散于含有扩孔剂的水醇溶液中反应8～96h后，抽滤干燥；
(b)将一次扩孔后的二氧化硅微球进行焙烧，在500～800℃焙烧2～48h；
(c)对焙烧后的二氧化硅进行二次扩孔处理，将焙烧后的产物分散于扩孔剂的水溶液中，进行二次扩孔处理，处理时间为12～96h，处理过滤后经过酸洗、水洗、醇洗后干燥即可得到扩孔后的二氧化硅微球。
作为其中一种具体的实施方式，所述方法包括：
(a1)对需要进行扩孔的二氧化硅微球进行一次扩孔处理：将硅球分散于含有扩孔剂的水醇溶液中反应8～96h后，抽滤干燥；
(a2)将一次扩孔后的二氧化硅微球进行焙烧，在500～800℃焙烧2～48h；
(a3)对焙烧后的二氧化硅进行二次扩孔处理，将焙烧后的产物分散于扩孔剂的水溶液中，加入反应釜中进行二次扩孔处理，处理时间为12～96h，处理过滤后经过酸洗、水洗、醇洗后干燥即可得到扩孔后的二氧化硅微球。
可选地，所述方法获得的二氧化硅孔径分布区间为7～100nm，孔容为0.4～1.2ml/g，比表面积为20～350m2/g。
可选地，所述待处理的二氧化硅为比表面积为420m2/g、平均孔径为5nm、孔容为0.6ml/g的微米球形，调节后的多孔性硅球孔径分布在7～100纳米之间，孔容在0.4～1.2ml/g之间，比表面积为20～350m2/g。
可选地，上述任一项所述方法制备的二氧化硅微球在高效液相色谱、催化剂领域、吸附剂领域中的应用。
本申请中所述技术方案在上述条件中均可实现，解决所述技术问题，获得所述技术效果。
本申请中所述方法能够满足高效液相色谱法分离不同大小生物分子对硅胶填料孔径的需求。制备得到的扩孔后的二氧化硅微球其孔径分布均匀的特点使其特别适合于用做高效液相色谱填料的基质，能够满足高效液相色谱法分离不同大小分子对硅胶填料孔径的需求，也可以满足高效催化剂载体和高效吸附剂等的需要。
本申请能产生的有益效果包括：
1)本申请所提供的方法调节孔径后，不仅硅胶表面含有丰富的硅羟基，而且在反应后可用水洗的方式去除扩孔剂的残留，整个扩孔过程反应均匀，扩孔后的多孔硅球孔径分布均匀，且表面含有大量羟基，易于键合，通过酸碱滴定法测得表面硅羟基浓度为8μmol/m2，这是其他的扩孔方法无法比拟的。
2)本申请所提供的方法克服了传统高温焙烧扩孔法导致硅胶表面羟基丧失的缺点，且制备过程简单，实现了二氧化硅载体孔径孔容的可控调节，能够满足高效液相色谱法分离不同大小分子对硅胶填料孔径的需求，其孔径分布均匀的特点使其特别适合于用做高效液相色谱填料的基质，也可以满足高效催化剂载体和高效吸附剂等的需要。
附图说明
图1为实施例中由聚合诱导胶体凝聚法制备的粒径为5um，比表面积为420m2/g，平均孔径为5nm、孔容为0.6ml/g的扩孔前微米球形硅胶的扫描电子显微镜图片；
图2为实施例中由聚合诱导胶体凝聚法制备的粒径为5um，比表面积为420m2/g，平均孔径为6nm、孔容为0.6ml/g的扩孔前微米球形硅胶用N2物理吸附法测得的孔径分布图片；
图3为实施例1中扩孔后比表面积为32m2/g，平均孔径为95nm的微米球形硅胶的扫描电子显微镜图片；
图4为实施例1中扩孔后比表面积为32m2/g，平均孔径为95nm的微米球形硅胶用压汞法测得的孔径分布图片；
图5为实施例2中扩孔后比表面积为114m2/g，平均孔径为28nm、孔容为0.81ml/g的微米球形硅胶用N2物理吸附法测得的孔径分布图片；
图6为实施例3中扩孔后比表面积为42m2/g，平均孔径为57nm的微米球形硅胶用压汞法测得的孔径分布图片(1wt％NaCl)；
图7为实施4中扩孔后比表面积为34m2/g，平均孔径为80nm的微米球形硅胶用压汞法测得的孔径分布图片(2.6wt％NaCl)；
图8为实施例5中扩孔后比表面积为338m2/g，平均孔径为10nm、孔容为1ml/g的微米球形硅胶用N2物理吸附法测得的孔径分布图片(T132-56)。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
其中，实施例中采用聚合诱导胶体凝聚法制备的微米球形硅胶的制备具体过程为：将单晶硅粉10g与5wt％氨水200ml在80℃反应2h，过滤得到二氧化硅水溶胶，将二氧化硅水溶胶加入尿素，用盐酸调节混合溶液pH值为1.5，在15℃加入甲醛，搅拌均匀后静置12h，过滤，干燥，于500℃焙烧5h得到微米球形硅胶。其中，二氧化硅、尿素与甲醛的摩尔比为1：1：1.5。
如无特别说明，本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买。
本申请的实施例中分析方法如下：
SEM形貌分析采用JEOL JSM-7800F型扫描电子显微镜。
物理吸附采用Quantachrome NOVA-2000型比表面积测试仪进行孔容和比表面积分析。
压汞法采用Micromeritics AutoPore IV 9500型压汞仪进行大孔径分布测量。
根据本申请的一种实施方式，所述二氧化硅孔径的调节方法，包括以下步骤：
对需要进行扩孔的二氧化硅微球进行一次扩孔处理：将硅球分散于含有扩孔剂的水醇溶液中反应8～96h后，抽滤干燥；
将一次扩孔后的二氧化硅微球进行焙烧，在500～800℃焙烧2～48h；
对焙烧后的二氧化硅进行二次扩孔处理，将焙烧后的产物分散于扩孔剂的水溶液中，加入反应釜中进行二次扩孔处理，处理时间为12～96h，处理过滤后经过酸洗、水洗、醇洗后干燥即可得到扩孔后的二氧化硅微球。
可选地，所用的醇溶液为甲醇、乙醇、异丙醇中的一种或其组合。
可选地，所用的扩孔剂为氨水、尿素、有机胺，碱金属的氢氧化物，碱金属的盐溶液中的一种或其组合。
可选地，步骤(1)中的硅球、扩孔剂、水、醇的质量比为10：0.01～20：20～60：5～20。
可选地，步骤(3)中的硅球、扩孔剂、水的质量比为10：1～30：50～200。
可选地，步骤(1)中液相反应的温度为40～90℃。
可选地，步骤(3)中水热反应的温度为40～300℃。
可选地，步骤(3)中二次扩孔后的酸洗采用5～35％HCl在100℃回流2～10h。
根据上述能够对二氧化硅微球孔径进行可控调节，调节后硅球孔径分布区间为7～100nm，孔容为0.4～1.2ml/g，比表面积为20～350m2/g。
根据上述扩孔后的二氧化硅微球其孔径分布均匀的特点使其特别适合于用做高效液相色谱填料的基质，能够满足高效液相色谱法分离不同大小分子对硅胶填料孔径的需求，也可以满足高效催化剂载体和高效吸附剂等的需要。
实施例1
称取5g采用聚合诱导胶体凝聚法制备的比表面积为420m2/g、平均孔径为5nm、孔容为0.6ml/g的微米球形硅胶，加入8g尿素，2g氯化钾，13g水，8g异丙醇，于80℃反应72h，抽滤干燥后于700℃焙烧6h。焙烧后的样品分散于含有0.5g氢氧化钾的100g水溶液中，加入到反应釜中，放入烘箱中260℃处理12h，二次扩孔处理过滤洗涤干燥后，用20wt％的HCl于100℃加热回流3h，再过滤水洗、醇洗后干燥得到孔径分布均匀适合于用做高效液相色谱填料的硅胶基质，标记为1#。
实施例2
称取5g采用聚合诱导胶体凝聚法制备的比表面积为420m2/g、平均孔径为5nm、孔容为0.6ml/g的微米球形硅胶，加入0.5g浓氨水，0.02g四甲基氢氧化铵，15g水，3g乙醇，于50℃反应30h，抽滤干燥后于550℃焙烧3h。焙烧后的样品分散于含有1g氢氧化钠，1g碳酸钠，2g硝酸钾的60g水溶液中，加入到反应釜中，放入烘箱中120℃处理36h，二次扩孔处理过滤洗涤干燥后，用6wt％的HCl于100℃加热回流7h，再过滤水洗、醇洗后干燥得到孔径分布均匀适合于用做高效液相色谱填料的硅胶基质，标记为2#。
实施例3
称取5g采用聚合诱导胶体凝聚法制备的比表面积为420m2/g、平均孔径为5nm、孔容为0.6ml/g的微米球形硅胶，加入0.1g乙二胺，0.5g氟化锂，20g水，5g甲醇，于70℃反应10h，抽滤干燥后于800℃焙烧2h。焙烧后的样品分散于含有2g氯化钠，0.02g氢氧化锂，70g水溶液中，加入到反应釜中，放入烘箱中200℃处理12h，二次扩孔处理过滤洗涤干燥后，用10wt％的HCl于100℃加热回流5h，再过滤水洗、醇洗后干燥得到孔径分布均匀适合于用做高效液相色谱填料的硅胶基质，标记为3#。
实施例4
称取5g用聚合诱导胶体凝聚法制备的比表面积为420m2/g、平均孔径为5nm、孔容为0.6ml/g的微米球形硅胶，加入0.02g氢氧化钠，0.5g氟化锂，25g水，5g甲醇，于90℃反应30h，抽滤干燥后于650℃焙烧8h。焙烧后的样品分散于含有10g四甲基氢氧化铵的75g水溶液中，加入到反应釜中，放入烘箱中230℃处理12h，二次扩孔处理过滤洗涤干燥后，用30wt％的HCl于100℃加热回流2h，再过滤水洗、醇洗后干燥得到孔径分布均匀适合于用做高效液相色谱填料的硅胶基质，标记为4#。
实施例5
称取5g采用聚合诱导胶体凝聚法制备的比表面积为420m2/g、平均孔径为5nm、孔容为0.6ml/g的微米球形硅胶，加入0.05g氢氧化钾，0.1g氯化锂，23g水，2.5g异丙醇，于40℃反应20h，抽滤干燥后于750℃焙烧4h。焙烧后的样品分散于含有3g浓氨水(35wt％)，2g尿素，0.1g碳酸钠的60g水溶液中，加入到反应釜中，放入烘箱中70℃处理15h，二次扩孔处理过滤洗涤干燥后，用8wt％的HCl于100℃加热回流6h，再过滤水洗、醇洗后干燥得到孔径分布均匀适合于用做高效液相色谱填料的硅胶基质，标记为5#。
实施例6形貌表征
对实施例中采用聚合诱导胶体凝聚法制备的微米球形硅胶、实施例1至实施例5中扩孔得到的样品1#～5#进行扫描电镜形貌表征。
典型的如图1和图3所示。
其中，图1为采用聚合诱导胶体凝聚法制备的微米球形硅胶的扫描电子显微镜图片，从图中可以看出所述微米球形硅胶的粒径为5μm，在硅胶表面看不到明显的孔。
图3为实施例1中样品1#的微米球形硅胶的扫描电子显微镜图片，从图中可以看出硅胶表面形成了大孔。
从上述图1和图3比较可以看出通过本发明能够对硅胶孔径进行调节其他样品2#～5#的测试结果与上述类似。
实施例7孔径分布分析
对实施例中采用聚合诱导胶体凝聚法制备的微米球形硅胶、实施例1至实施例5中扩孔得到的样品1#～5#进行孔分析。
典型的如图2、图4至图8所示。
其中，采用聚合诱导胶体凝聚法制备的微米球形硅胶的比表面积为420m2/g，平均孔径为6nm，孔容为0.6ml/g；其用N2物理吸附法测得的孔径分布图片如图2所示。
样品1#的比表面积为32m2/g，平均孔径为95nm；孔容为1.81ml/g；其用压汞法测得的孔径分布图片如图4所示。
样品2#的比表面积为114m2/g，平均孔径为28nm，孔容为0.81ml/g；其用N2物理吸附法测得的孔径分布图片如图5所示。
样品3#的比表面积为42m2/g，平均孔径为57nm；孔容为1.86ml/g；其用压汞法测得的孔径分布图片如图6所示。
样品4#的比表面积为34m2/g，平均孔径为80nm；孔容为1.82ml/g；其用压汞法测得的孔径分布图片如图7所示。
样品5#的比表面积为338m2/g，平均孔径为10nm、孔容为1ml/g；其用N2物理吸附法测得的孔径分布图片如图8所示。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (10)
1.一种调节二氧化硅孔径的方法，其特征在于，包括：
(1)将待处理的二氧化硅进行一次扩孔处理，焙烧；
(2)将步骤(1)中焙烧后得到二氧化硅进行二次扩孔处理，得到调节孔径后的二氧化硅。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述一次扩孔处理为在含有扩孔剂的存在下液相反应。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述液相反应的条件为40～90℃反应8～96h；
所述液相反应的溶剂为水醇溶液；
优选地，所述液相反应的温度为50～80℃；
优选地，所述液相反应的时间为10～72h；
优选地，所述水醇溶液中醇包括甲醇、乙醇、异丙醇中的至少一种；
所述液相反应中待处理二氧化硅、扩孔剂、水和醇的质量比为10：0.01～20：20～60：5～20；
优选地，所述液相反应中待处理二氧化硅、扩孔剂、水和醇的质量比为10：0.05～10：30～50：8～15；
优选地，所述扩孔剂选自氨水、尿素、有机胺、碱金属的氢氧化物、碱金属的盐中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述焙烧的条件为500～800℃焙烧2～48h；
优选地，所述焙烧的时间为2～8h。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述二次扩孔处理为在扩孔剂的存在下水热处理。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述水热处理的温度为40～300℃，时间为12～96h；
优选地，所述水热处理的温度为70～260℃；
优选地，所述水热处理的时间为12～36h；
所述水热处理中焙烧后得到二氧化硅、扩孔剂和水的质量比为10：1～30：50～200；
优选地，所述水热处理中焙烧后得到二氧化硅、扩孔剂和水的质量比为10：3～20：80～150；
优选地，所述扩孔剂选自氨水、尿素、有机胺、碱金属的氢氧化物、碱金属的盐溶液中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述二次扩处理后进行洗涤；
所述洗涤包括酸洗；
优选地，所述酸洗的条件为：5～35wt％HCl在80～120℃回流2～10h；
优选地，所述酸洗的条件为：10～25wt％HCl在100℃回流3～8h；
优选地，所述洗涤还包括水洗和醇洗。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
(a)对需要进行扩孔的二氧化硅微球进行一次扩孔处理：将二氧化硅微球分散于含有扩孔剂的水醇溶液中反应8～96h后，抽滤干燥；
(b)将一次扩孔后的二氧化硅微球进行焙烧，在500～800℃焙烧2～48h；
(c)对焙烧后的二氧化硅进行二次扩孔处理，将焙烧后的产物分散于扩孔剂的水溶液中，进行二次扩孔处理，处理时间为12～96h，处理过滤后经过酸洗、水洗、醇洗后干燥即可得到扩孔后的二氧化硅微球。
9.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述方法获得的二氧化硅孔径分布区间为7～100nm，孔容为0.4～1.2ml/g，比表面积为20～350m2/g。
10.权利要求1至9任一项所述方法制备的二氧化硅微球在高效液相色谱、催化剂领域、吸附剂领域中的应用。
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2018
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