CN1124715A

CN1124715A - 一种多孔性二氧化硅微球的制备方法

Info

Publication number: CN1124715A
Application number: CN 94117706
Authority: CN
Inventors: 刘国诠; 李新会; 韩慧婉
Original assignee: Institute of Chemistry CAS
Current assignee: Institute of Chemistry CAS
Priority date: 1994-11-07
Filing date: 1994-11-07
Publication date: 1996-06-19

Abstract

本发明是一种多孔性二氧化硅微球的制备方法。采用适当形状与大小的生物细胞的细胞壁或细胞膜作为合成多孔性二氧化硅微球的生物微囊，将含有硅酸酯类化合物及致孔剂的生物微囊分散在以水为分散相的体系中，通过两阶段的水解缩合和凝胶化反应，制备成粒径在1—200μm，孔径在20A°—1000A°，孔隙度为60％—90％，70％的粒径分布在0.8D—1.2D之间，适用于作为液相色谱固定相基质、高效催化剂载体及高效吸附剂的二氧化硅多孔微球。

Description

一种多孔性二氧化硅微球的制备方法

本发明属于二氧化硅微球的制备方法，特别涉及到一种多孔性二氧化硅微球的制备方法。

多孔性二氧化硅可用作液相色谱固定相的基质、高效催化剂的载体、高分子材料与表面活性剂等的增强剂、添加剂或吸附剂。

多孔性二氧化硅微球用于高效催化剂的优点是：(1)二氧化硅微球具有较高的比表面积，用于催化剂的载体后可提高催化剂的接触面积，从而提高催化效率；(2)二氧化硅的粒径与孔径可控。

多孔性二氧化硅微球用于液相色谱固定相基质的优点是：(1)具有较高的机械强度与刚性，能够实现高效液相色谱的目的；(2)粒径可控，能得到粒径小而均匀的微球；(3)孔径可控；(4)容易键合，可以被广泛用于制备各种类型的色谱固定相。

目前在国际上，由于HPLC及高效催化等多项需要，硅胶的生产已得到广泛的开发，自1965年以来已形成了四、五十项关于多孔性球形硅胶的专利。根据技术原理不同，可将它们分为三类：(1)堆积硅珠法；(2)SOL-GEL法；(3)喷雾干燥法。

首先，堆集硅珠法如美国专利US Pat，3782075(1974年)披露的多孔硅胶制备技术，所得到的产品的孔度太低。又如US Pat，3,855,172(1974年)披露的制备技术所得硅胶的强度太低。

其次，SOL-GEL法制备技术的最大的缺点是其产品微球不均匀，如Ger，Pat，2,357,184、特公昭60-71516，US Pat，3,653,216、USPat，3,652,214、US Pat.4,206,297等有些须涉及复杂的微球分级工艺，或使用高速搅拌机或涉及到较复杂的溶剂置换问题。

再者，喷雾干燥法，如特公昭62—275，104、特公昭62-143818等披露的硅胶制备技术中，对设备技术要求高，而且所得产品的粒径分布不均一。

本发明的目的是通过使用新型生物微囊制备方法与简单的生产工艺，克服已有二氧化硅微球制备技术中须涉及复杂的微球分级工艺，产品粒径不均一，孔隙度及强度低的缺点，得到粒径均匀、孔隙度及强度高、粒径大小适宜的多孔性二氧化硅微球。

本发明使用市售或自己培养的粒径在1-200μm之间，70％粒径分布在0.8-1.2D之间(D为粒径)，具有细胞壁或细胞膜的生物细胞，如球藻类、酵母类生物细胞及植物愈伤组织细胞为模板载体，以如下生产工艺制备了多孔性二氧化硅微球：

(1)将市售或自己培养的粒径在1—200μm之间的生物细胞，以0.01—3M浓度的酸、碱、盐、浓度为5％—100％的水溶性有机溶剂的水溶液或它们的混合物水溶液为化学处理剂，进行化学处理，除去细胞壁内的物质，得到合成多孔性二氧化硅微球所需的生物微囊；

(2)使生物微囊中充满可同时溶于水和硅酸酯类化合物的过渡溶剂；

(3)将1∶1—1∶10(体积比)的致孔剂同硅酸酯类化合物的混合物，以多步置换的方式除尽步骤(2)生物微囊中的过渡溶剂，然后通过固液分离除去生物微囊外面的多余致孔剂与硅酸酯类化合物的混合物，得到含有硅酸酯类化合物的生物微囊；

(4)将占步骤(3)产品总量0.01—20％的助分散溶剂和0.01-10％的助分散表面活性剂，同步骤(3)的产品分散到以水为分散相的体系中；

(5)在10—200℃的温度与60—600rpm的转速下，向步骤(4)的体系中加入10^-5—2M的酸性物质，反应0.1-50小时，使生物微囊内硅酸酯类化合物转化成低分子量聚硅氧烷；

(6)加入促凝胶化剂，浓度为10^-5—2M，凝胶化0.1-50小时，凝胶化反应温度10—200℃，然后进行液固分离；

(7)向步骤(6)的产品中加入硅胶微球产品重量10—200％的无机盐类耐火性空间占位剂，其浓度为5—40％，在温度10—200℃干燥，在400—1000℃的温度下烧制干燥后的产品；

(8)洗除步骤(7)产品中的无机盐类耐火性空间占位剂，干燥后即得到多孔性二氧化硅微球。

作为生物微囊的生物细胞的细胞膜或细胞壁须有一定厚度，以防止在化学处理与化学合成过程中破裂而失去生物微囊功能。例如酵母细胞与一些球藻类生物及植物愈伤组织的细胞具有如此功能。若所选择的生物细胞的70％粒径分布在0.8D-1.2D之间，得到的二氧化硅多孔微球就不须经过分级而直接用作液相色谱固定相基质。

用作化学处理剂的物质包括：酸溶液、碱溶液、酸性与碱性的盐类缓冲液，或一些水溶性有机溶剂水溶液，或它们几种溶液之间任一的混合水溶液。通过酸、碱或盐等物质进入生物细胞，将使生物细胞中细胞器内外的酶等蛋白质和其它物质失去活性，而且可使其发生水解或生物降解之类的化学反应，然后通过渗透、扩散等洗除机理，除去生物细胞中的物质。在此处理过程中，处理剂浓度不太高时，生物细胞的细胞壁与细胞膜不会受到破坏；但当处理剂浓度太高时，会使生物细胞的细胞壁与细胞膜发生破裂。处理剂浓度应控制在0.01M-3M范围内，最好控制在0.5-2M的范围内。一些水溶性有机溶剂，如甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、丙酮、乙晴等，或酸、碱、盐、水溶性有机溶剂，它们之间的任一混合水溶液，作为处理剂时，生物细胞内的一些物质会通过等渗机理而被洗出。这些亲水性溶剂作为处理剂的浓度应控制在5％-100％之间，最好控制在40％—90％之间。

本发明的原理是：通过硅酸酯类化合物在以生物细胞的细胞膜或细胞壁为模板的微囊内进行部分水解缩合和凝胶化反应而成形，且通过致孔剂的使用以控制孔度，然后在高温下烧制以除去微囊外壳，达到本发明的目的。

以酸性物质为催化剂能引发硅酸酯类化合物发生部分水解缩合反应。由于硅酸酯类化合物与水不互溶，生物微囊内的硅酸酯类化合物在水解缩合反应过程中被限制在微囊内，与分散体系—水发生相分离。水解缩合反应慢而温和，在本发明的工艺条件下得到低分子量的聚硅氧烷。这种水解产物由于分子量增加，出入生物细胞微囊的困难增加，因此它们同分散相间物质交换较少，从而能达到产物成形的目的。加入碱性物质至一定碱性范围以后，能够使微囊内物质凝胶化反应的速度加快。本发明中催化剂和促凝胶化剂的浓度在10^-5—2M之间。

本发明所用的硅酸酯类化合物是硅酸甲酯、硅酸乙酯、硅酸丙酯、硅酸丁酯、硅酸戊酯、硅酸同这些低级醇的混合酯以及它们的混合物。过渡溶剂是可溶于水的有机溶剂如甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、丙酮等。促凝胶化剂是氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化氨、氢氧化锂、磷酸钠、碳酸钠的水溶液。致孔剂为高级醇、高级酯、高级醚、卤代烃和部分烃类物质，如正己醇、环己醇、环己酮、氯仿、二氧六环、甲苯等，须与水不互溶，但能与硅酸酯类化合物以一定比例混溶。致孔剂的用量越高，产品的孔度越高。致孔剂的使用量应控制在一定范围内；致孔剂同硅酸酯类化合物体积比在1∶1—1∶10之间。致孔剂种类的选择根据所使用的原料硅酸类化合物的种类而定，尽量使它们的溶剂极性相近。

含有硅酸酯类化合物和致孔剂的生物微囊需要在搅拌下进行分散。搅拌速度根据所使用的原料—硅酸酯类化合物种类、致孔剂的种类与用量、所加入的助分散溶剂及表面活性剂的种类和用量等有关。搅拌速度在10—1000rpm之间，最好为60—600rpm之间。

使用浓度适当的助分散溶剂和表面活性剂可帮助上述反应体系进行分散。助分散溶剂为那些极性介于水和硅酸酯类化合物之间的任何有机溶剂，如乙醇、甲醇、丙酮等，其用量与所用生物细胞大小有关，约为原料总量的0.01-20％之间。表面活性剂的种类为司班80、吐温80、曲拉通等，用量与所用载体生物细胞大小有关，约为原料总量的0.01-10％之间。

通过加入空间占位剂可避免产品在烧结过程中发生结块、干燥过程中因水分蒸发带来的表面张力导致的孔收缩和孔度下降。空间占位剂为在10—1000℃，最好为100—600℃的温度范围内与本发明的产品—多孔性二氧化硅微球基体不发生化学反应的耐火性无机盐类物质，如氯化钠、氯化钾等。空间占位剂的使用量为硅胶微球产品重量的10—200％，最好为产品重量的30—80％，浓度为5—40％，最佳为10—35％。

产品在高温烧结前，经过10—200℃的温度干燥，干燥温度最好为50—150℃，可除去产品中的惰性溶剂、剩余的水分及未反应的单体。通过烧结可完全除去多孔性二氧化硅微球中的有机成分，提高产品强度。产品的高温烧结温度范围是400—1000℃。

本发明生产得到的二氧化硅微球，具有1—200μm的粒径，其70％的粒径可控制在0.8D—1.2D的范围内，耐压达30—500kg/cm²，孔径在20A°-1000A°孔隙度可控制在60—90％的范围内。以本发明的产品直接装成正相色谱柱后，柱效高、柱压低。

实施例

例1：

(1)生物细胞的处理：

将30g活性干酵母加入盛有500ml、0.5M氢氧化钠的容器中，存放5天，过滤分离，反复以去离子水置换清洗所处理的酵母细胞至中性。然后反复以过渡溶剂——甲醇置换所处理的酵母细胞5次。再反复以9/1(体积比)的正硅酸乙酯/正己醇置换所处理的酵母细胞5次，分离除去细胞外正硅酸乙酯与正己醇，得到含有正硅酸乙酯与正己醇的生物微球。

(2)二氧化硅多孔微球的制备：

在200rpm转速和30℃下将(1)中含有正硅酸乙酯与正己醇的生物微囊球加入到含有300ml水的容器中，加入0.5g司班80和0.5ml甲醇分别作助分散溶剂和助分散表面活性剂。10分钟后加入37％盐酸0.3ml。2小时后加入10％氢氧化钠1.5ml，1小时后停止反应，液固分离，得到含有二氧化硅凝胶的生物微球。又将二氧化硅凝胶微球加到80ml、30％的NaCl溶液中，摇匀80℃蒸干，500℃烧制5小时。洗净产品中NaCl，干燥。

(3)产品表征：

椭球形微球粒径大小—长轴5μm，短轴4μm；比孔容为2.2cm³/g孔径70A°；80％的粒径分布在4—5μm之间；孔隙度80％；耐压300kg/cm²。

例2

(1)生物细胞的处理：

将30g活性干酵母加入盛有500ml、0.4M氢氧化钾的容器中，存放5天，过滤分离，反复以去离子水置换清洗所处理的酵母细胞至中性。然后反复以过渡溶剂——甲醇置换所处理的酵母细胞5次。再反复以3/1(体积比)的正硅酸乙酯/正己醇置换所处理的酵母细胞5次，分离除去细胞外正硅酸乙酯与正己醇，得到含有正硅酸乙酯与正己醇的生物微囊粒子。

(2)二氧化硅多孔微球的制备：

在200rpm转速和30℃下将(1)中含有正硅酸乙酯与正己醇的生物微囊粒子加入到含有300ml水的容器中，加入1.0g司班80和1ml甲醇分别作助分散溶剂和助分散表面活性剂。10分钟后加入37％盐酸0.5ml。1小时后加入10％氢氧化钠2.0ml，1小时后停止反应，液固分离，得到含有二氧化硅凝胶的生物微球。又将二氧化硅凝胶微球加入到100ml 30％的NaCl溶液中，摇匀，90℃蒸干，500℃烧制5小时。洗净产品中NaCl，干燥。

(3)产品表征：

椭球形微球粒径大小——长轴5μm，短轴4μm，比孔容为2.4cm³/g；孔径80A°；80％的粒径分布在4—5μm之间；孔隙度83％；耐压200kg/cm。

例3

(1)生物细胞的处理：

将30g活性干酵母加入盛有500ml、0.5M氨水的容器中，存放5天，过滤分离，反复以去离子水置换清洗所处理的酵母细胞至中性。然后反复以过渡溶剂—甲醇置换所处理的酵母细胞5次。再反复以正硅酸乙酯置换所处理的酵母细胞5次，分离除去细胞外正硅酸乙酯，得到含有正硅酸乙酯的生物微球。

(2)二氧化硅多孔微球的制备：

200rpm转速和30℃下将(1)中含有正硅酸乙酯的生物微囊球加入到含有300ml水的容器中，加入0.5g司班80和0.5ml甲醇分别作助分散溶剂和助分散表面活性剂。10分钟后加入37％盐酸0.3ml。2小时后加入10％氢氧化钠1.5ml，1小时后停止反应，液固分离，得到含有二氧化硅凝胶的生物微囊球。又将二氧化硅凝胶微球加入到80ml30％的NaCl溶液中，摇匀，80℃蒸干，500℃烧制5小时。洗净产品中NaCl，干燥。

(3)产品表征：

椭球形微球粒径大小—长轴5μm之间；短轴4μm；比孔容为1.5cm³/g；孔径70A°，80％的粒径分布在4—5μm之间，孔隙度75％；耐压500kg/cm²。

例4

(1)生物细胞的处理：

将30g活性干酵母加入盛有200ml、40％甲醇水溶液的容器中，存放10天，过滤分离，再反复以纯甲醇置换所处理的酵母细胞5次。又反复以的正硅酸乙酯∶环己醇＝5∶1(体积比)置换所处理的酵母细胞5次，分离除去微囊外正硅酸乙酯与环己醇，得到含有正硅酸乙酯与正己醇的生物微囊球。

(2)二氧化硅多孔微球的制备

在100rpm和30℃转速下将(1)中含有正硅酸乙酯与环己醇的生物微囊球加入到含有300ml水的容器中，加入2.0g司班80和1ml甲醇分别作助分散溶剂和助分散表面活性剂。10分钟后加入37％盐酸0.5ml。1小时后加入10％氢氧化钠2.0ml，1小时后停止反应，液固分离，得到含有二氧化硅凝胶的生物微囊球。又将二氧化硅凝胶微球加入到100ml 30％的NaCl溶液中，摇匀，80℃蒸干，500℃烧制6小时。洗净产品中NaCl，干燥。

(3)产品表征：

椭球形微球径大小—长轴5μm，短轴4μm；比孔容为2.3cm³/g；孔径70A°； 80％的粒径分布在4—5μm之间；孔隙度82％；耐压250kg/cm²。

Claims

1、一种多孔性二氧化硅微球的制备方法，其特征在于采用生物微囊法，按以下顺序步骤进行：

(1)将市售或自己培养的粒径在1—200μm，70％粒径分布在0.8D-1.2D(D为平均粒径)的生物细胞作为制备生物微囊的原料，以0.01—3M浓度的酸、碱、盐水溶液，浓度为5％-100％的水溶性有机溶剂的水溶液或它们的混合物水溶液为化学处理剂，进行化学处理，除去细胞壁内的物质，得到合成多孔性二氧化硅微球所需的生物微囊；

(3)将体积为1∶1—1∶10的致孔剂同硅酸酯类化合物的混合物，以多步置换的方式除尽步骤(2)生物微囊中的过渡溶剂，然后通过固液分离除去生物微囊外面的多余致孔剂与硅酸酯类化合物的混合物，得到含有硅酸酯类化合物的生物微囊；

(4)将占步骤(3)产品总量0.01-20％的助分散溶剂和0.01-10％的助分散表面活性剂，同步骤(3)的产品分散到以水为分散相的体系中；

(5)在10—200℃以60—600rpm的转速，向步骤(4)的体系中加入10^-5—2M的酸性物质，反应0.1-50小时，使生物微囊内硅酸酯类化合物转化成低分子量聚硅氧烷；

(6)加入浓度为10^-5—2M的促凝胶化剂，凝胶化时间为0.1-50小时，凝胶化反应温度为10—200℃，然后进行液固分离；

(7)向步骤(6)的产品中加入占硅胶微球产品重量10—200％的无机盐类耐火性空间占位剂，其浓度为5—40％，在10—200℃干燥，在400—1000℃的温度下烧制干燥后的产品；

2、如权利要求1所述的一种多孔性二氧化硅微球的制备方法，其特征在于所述的生物细胞是球藻类、酵母类生物细胞及植物愈伤组织细胞。

3、如权利要求1所述的一种多孔性二氧化硅微球的制备方法，其特征在于所述的硅酸酯类化合物是：硅酸甲酯、硅酸乙酯、硅酸丙酯、硅酸丁酯、硅酸戊酯、硅酸同这些低级醇的混合酯以及它们的混合物。

4、如权利要求1所述的一种多孔性二氧化硅微球的制备方法，其特征在于所述的水溶性有机溶剂是甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、丙酮、乙晴，它们的水溶液浓度最佳为40％—90％。

5、如权利要求1所述的一种多孔性二氧化硅微球的制备方法，其特征在于所述的酸、碱、盐的水溶液的最佳浓度为0.5-2M。

6、如权利要求1所述的一种多孔性二氧化硅微球的制备方法，其特征在于所述的助分散溶剂是乙醇、甲醇、丙酮。

7、如权利要求1所述的一种多孔性二氧化硅微球的制备方法，其特征在于所述的促凝胶化剂是氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化氨、氢氧化锂、磷酸钠、碳酸钠的水溶液。

8、如权利要求1所述的一种多孔性二氧化硅微球的制备方法，其特征在于所述的空间占位剂为耐火性无机盐，氯化钠，氯化钾。

9、如权利要求1或8所述的一种多孔性二氧化硅微球的制备方法，其特征在于所述的空间占位剂的最佳使用量是硅胶微球质量的30—80％。

10、如权利要求1或8所述的一种多孔性二氧化硅微球的制备方法，其特征在于所述的空间占位剂的最佳浓度是10—35％。

11、如权利要求1或8所述的一种多孔性二氧化硅微球的制备方法，其特征在于所述的空间占位剂的最佳干燥温度是50—150℃。

12、如权利要求1所述的一种多孔性二氧化硅微球的制备方法，其特征在于所述的致孔剂为正己醇、环己醇、环己酮、氯仿、二氧六环、甲苯。