CN114368756A - 一种采用有机碱微波辅助制备不同尺寸单分散二氧化硅微球的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用有机碱微波辅助制备不同尺寸单分散二氧化硅微球的方法。首先在无表面活性剂的条件下将无水乙醇和去离子水按比例混合然后加入一定量有机碱，30℃水浴条件下，将正硅酸乙酯缓慢加入混合，然后将混合液转入圆底烧瓶中，以一定功率的微波反应一段时间，出现白色浑浊后离心、干燥、马弗炉热处理后得到的单分散二氧化硅微球。通过使用不同浓度的有机碱可实现二氧化硅微球的粒径从230nm‑500nm之间的调控。该工艺简单、反应时间短、产率最高可达99.99%。该方法具有反应体系和加热方法绿色环保的特点，且制得的单分散二氧化硅微球粉颗粒大小均匀，表面光滑，微球呈单分散，在作为化学反应前驱体以及电子封装领域有一定的发展前景。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，具体涉及到一种采用有机碱微波辅助制备不同尺寸单分散二氧化硅微球的方法。
背景技术
在纳米材料中，二氧化硅是用途十分广泛的材料，比如应用于其他化学反应的前驱体(硬模板)、电子封装、塑料增强剂、载体、医学、陶瓷等方面。它可以形成介孔材料和纳米颗粒，可以掺入壳中或负载在复合材料中，还可以进行功能化，是迄今为止许多科研者研究的热点，二氧化硅微球球形度高、理化性质稳定、粒径分布范围广是其应用广泛的重要因素。使用微波作为能源的一些普遍好处是反应更快，重现性更高，并且有可能获得具有不同特性的材料。
2012年，Lovingood Derek D等在丙酮中使用原硅酸四甲酯(TMOS)通过酸催化控制微波辅助合成二氧化硅纳米粒子，但是该硅源不仅价格昂贵而且在空气中极易水解难以长久保存，并且使用丙酮毒性较强，对环境有污染。[Lovingood Derek D，Owens JefferyR，Seeber Michael，Kornev Konstantin G，Luzinov Igor.Controlled microwave-assisted growth of silica nanoparticles under acid catalysis.[J].ACS appliedmaterials&interfaces，2012，4(12):6875-83.]
专利号：201810492312.7的中国专利公开了一种介孔二氧化硅微球的制备方法。该方法首先是水浴加热30-70℃反应10-15h制备聚苯乙烯微球，然后进行磺化，接下来制备聚苯乙烯/二氧化硅复合微球最后去除复合微球中的聚苯乙烯得到介孔二氧化硅，该实验方法比较复杂、反应时间久、反应步骤并不简短不适用于大规模工业化生产。
专利号：201810608071.8的中国专利申请公开了一种介孔二氧化硅球形纳米颗粒的制备方法。该方法需加热到70℃，对温度要求较高，并且需要搅拌4-10h所需时长较久，其产率最高也只能达到93％。
发明内容
针对上述现有的单分散二氧化硅微球的制备工艺所存在问题，本发明主要目的在于提供一种绿色环保、产率高、粒径均一可控的有机碱微波辅助制备单分散二氧化硅微球的方法，该方法采用有机碱对环境友好，合成原料成本低，操作工艺简单，反应时间短。
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案。
一种采用有机碱微波辅助制备不同尺寸单分散二氧化硅微球的方法，具体步骤如下：
(1)在30℃的水浴条件下，将有机碱搅拌溶解到去离子水中，配置成浓度为0.1mol/l～0.9mol/l的溶液；
(2)将步骤(1)得到的溶液加入到去离子水和乙醇的混合溶液中，搅拌均匀，其中，去离子水和乙醇的体积比为1:4；
(3)在30℃恒定水浴中，一边搅拌一边将硅源均匀分散在步骤(2)得到的溶液中；
(4)将步骤(3)得到的混合溶液转移到圆底烧瓶中，进行微波，溶液会出现白色沉淀；
(5)将步骤(4)得到的白色浑浊溶液以10000r/min的转速离心1min，再在60℃下烘干，得到白色粉末；
(6)将干燥后的白色粉末置于马弗炉中进行热处理，最终得到单分散的二氧化硅微球。
进一步地，步骤(1)中，有机碱为三乙烯四胺，配置成溶液的浓度为0.1mol/l、0.5mol/l或0.9mol/l。
进一步地，步骤(1)中，有机碱的加入需缓慢滴加。
进一步地，放入微波前的混合溶液的温度均保持为30℃。
进一步地，步骤(3)中，硅源为正硅酸乙酯(TEOS)。
进一步地，步骤(3)中溶液混合均匀后即可转移至圆底烧瓶中。
进一步地，步骤(4)中，采用家用微波，微波功率为240W，微波时间为10min。
进一步地，步骤(6)中，热处理的温度为700℃，热处理5h。
本发明还提供一种基于上述制备方法制备得到的单分散二氧化硅微球。
本发明具有如下优点：本发明提供的制备工艺无需表面活性剂，合成方法绿色环保、合成原料成本低、操作工艺简单、合成时间短、产率最高可达99.99％。通过使用不同浓度的有机碱可实现二氧化硅微球的粒径从230nm-500nm之间的调控。并且基于该工艺进行批量生产简单、易操作，可广泛应用于其他化学反应的前驱体(硬模板)、电子封装、塑料增强剂、载体、医学、陶瓷等方面。
附图说明
图1为本发明实施例1中单分散二氧化硅微球粉的扫描电子显微照片。
图2为本发明实施例1中单分散二氧化硅微球粉的X射线衍射图。
图3为本发明实施例2中单分散二氧化硅微球粉的扫描电子显微照片。
图4为本发明实施例3中单分散二氧化硅微球粉的扫描电子显微照片。
图5为本发明实施例1、2、3中所合成的二氧化硅，其粒径大小随着TETA浓度变化的曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例详细说明本发明所具有的有益效果，旨在帮助阅读者更好的理解本发明的实质，但不能对本发明的实施和保护范围构成任何限定。
实施例1
本实施例中制备单分散二氧化硅微球的具体过程如下：
(1)在30℃水浴条件下，将10ml 0.1mol/l三乙烯四胺搅拌溶解到50ml去离子水中，充分溶解。
(2)加入去离子水与乙醇体积比为1：4的混合溶液共300ml，搅拌均匀。
(3)将11.5g TEOS加入到步骤(2)得到的溶液中，搅拌均匀。
(4)将步骤(3)得到的溶液转移至500ml圆底烧瓶中，使用家用微波240W，反应10min即可取出，溶液会出现白色沉淀。
(5)将步骤(4)得到的白色浑浊溶液用高速离心机以10000r/min的转速离心1min、再置于真空干燥箱中60℃干燥12h。
(6)将干燥后的白色粉末置于马弗炉中煅烧，煅烧温度为700℃、煅烧5h，得到单分散二氧化硅微球。
图1为通过扫描电子显微镜拍摄的本实施例得到的单分散二氧化硅微球的照片。由图可见，该单分散二氧化硅微球颗粒均匀、分散性好、表面光滑，粒径大致为500nm，11.5gTEOS生成了3.0885g二氧化硅产率为93％。参见图2显示，所得的材料为无定形二氧化硅。
实施例2
本实施例中制备单分散二氧化硅微球的具体过程如下：
(1)在30℃水浴条件下，将10ml 0.5mol/l三乙烯四胺搅拌溶解到50ml去离子水中，充分溶解。
(2)加入去离子水与乙醇体积比为1：4的混合溶液共300ml，搅拌均匀。
(3)将11.5g TEOS加入到步骤(2)得到的溶液中，搅拌均匀。
(4)将步骤(3)得到的溶液转移至500ml圆底烧瓶中，使用家用微波240W，反应10min即可取出,溶液会出现白色沉淀。
(5)将步骤(4)得到的白色浑浊溶液用高速离心机以10000r/min的转速离心1min、再置于真空干燥箱中60℃干燥12h。
(6)将干燥后的白色粉末置于马弗炉中煅烧，煅烧温度为700℃、煅烧5h，得到单分散二氧化硅微球。
图3所示为通过扫描电子显微镜拍摄的本实例得到的单分散二氧化硅微球的照片。由图可见，该单分散二氧化硅微球颗粒均匀、分散性好、表面光滑，粒径大致为300nm，11.5gTEOS生成了3.3165g二氧化硅，产率为99.99％。
实施例3
本实施例中制备单分散二氧化硅微球的具体过程如下：
(1)在30℃水浴条件下，将10ml 0.9mol/l三乙烯四胺搅拌溶解到50ml去离子水中，充分溶解。
(2)加入去离子水与乙醇体积比为1：4的混合溶液共300ml，搅拌均匀。
(3)将11.5g TEOS加入到步骤(2)得到的溶液中，搅拌均匀。
(4)将步骤(3)中得到的溶液转移至500ml圆底烧瓶中，使用家用微波240W，反应10min即可取出，溶液会出现白色沉淀。
(5)将步骤(4)得到的白色浑浊溶液用高速离心机以10000r/min的转速离心1min、再置于真空干燥箱中60℃干燥12h。
(6)将干燥后的白色粉末置于马弗炉中煅烧，煅烧温度为700℃、煅烧5h，得到单分散二氧化硅微球。
图4所示为通过扫描电子显微镜拍摄的本实例得到的单分散二氧化硅微球的照片。由图可见，该单分散二氧化硅微球颗粒均匀、分散性好、表面光滑，粒径大致为230nm，11.5gTEOS生成了3.0165g二氧化硅，产率为91％。
图5所示为实施例1、2、3中所合成的二氧化硅，其粒径大小随着TETA浓度变化的曲线图。由图可见，随着TETA浓度的逐渐增加(0.1mol/l、0.5mol/l、0.9mol/l)，二氧化硅的粒径逐渐从500nm减小为230nm。
本发明提供了一种采用有机碱微波辅助制备不同尺寸单分散二氧化硅微球的方法。首先微波法相比于传统纯水热法所需的时间更短、产率更高。其次，采用有机碱催化控制微波反应相较于现有的用氨水进行微波合成的二氧化硅粒无挥发性气体产生、更环保。最后，采用有机碱催化辅助合成二氧化硅相较于采用酸催化控制微波辅助合成的二氧化硅的表面更加光滑、粒径更加均一。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种采用有机碱微波辅助制备不同尺寸单分散二氧化硅微球的方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）在30℃的水浴条件下，将有机碱搅拌溶解到去离子水中，配置成浓度为0.1mol/l~0.9mol/l的溶液；
（2）将步骤（1）得到的溶液加入到去离子水和乙醇的混合溶液中，搅拌均匀，其中，去离子水和乙醇的体积比为1：4；
（3）在30℃恒定水浴中，一边搅拌一边将硅源均匀分散在步骤（2）得到的溶液中；
（4）将步骤（3）得到的混合溶液转移到圆底烧瓶中，进行微波；
（5）出现白色浑浊后离心、干燥，得到白色二氧化硅微球粉末；
（6）将干燥后的白色粉末置于马弗炉中进行热处理，最终得到单分散的二氧化硅微球。
2.根据权利要求1所述的采用有机碱微波辅助制备不同尺寸单分散二氧化硅微球的方法，其特征在于，步骤（1）中，有机碱为三乙烯四胺，配置成溶液的浓度为0.1mol/l、0.5mol/l或0.9mol/l。
3.根据权利要求1所述的采用有机碱微波辅助制备不同尺寸单分散二氧化硅微球的方法，其特征在于，步骤（3）中，硅源为正硅酸乙酯。
4.根据权利要求1所述的采用有机碱微波辅助制备不同尺寸单分散二氧化硅微球的方法，其特征在于，步骤（4）中，微波功率为240W，微波时间为10min。
5.根据权利要求1所述的采用有机碱微波辅助制备不同尺寸单分散二氧化硅微球的方法，其特征在于，步骤（5）具体为：出现白色浑浊后以10000r/min的转速离心1min，再在60℃下烘干，得到白色二氧化硅微球粉末。
6.根据权利要求1所述的采用有机碱微波辅助制备不同尺寸单分散二氧化硅微球的方法，其特征在于，步骤（6）中，热处理的温度为700℃，热处理5h。
7.一种单分散二氧化硅微球，其特征在于，是根据权利要求1~6中任意一项所述的方法制备得到。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220419 |
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