CN115676838B - 纳米二氧化硅溶液及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纳米二氧化硅溶液及其制备方法与应用。该制备方法包括以下步骤：步骤一，取阳离子表面活性剂与碱性物质加入水中，得到混合液；步骤二，将所述混合液升温至60℃～90℃，反应至溶液变为澄清，得到反应液；步骤三，在所述反应液中加入硅源，进行反应，得到纳米二氧化硅溶液。上述纳米二氧化硅溶液的制备方法将硅源加入阳离子表面活性剂和碱性物质的混合液中进行反应，制得得到的纳米二氧化硅溶液分散性良好，粒径均匀，并且相比普通的纳米二氧化硅，具有优异的抗菌性，能够作为抗菌材料使用。上述制备方法操作简便，利于工业化大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及纳米材料合成技术领域，特别是涉及一种纳米二氧化硅溶液及其制备方法与应用。
背景技术
纳米二氧化硅(SiO2)是重要的无机非金属纳米材料之一，因具有吸附性强、可塑性良好、比表面积大、磁阻性高和热导性低等特性，已被广泛应用于电子冶金、航空航天、医药卫生以及抗菌材料等领域。纳米二氧化硅具有粒径小、化学纯度高、分散性好等优势，已经成为最有发展前景的无机材料之一，为很多相关行业的发展提供了材料基础。目前，合成二氧化硅的方法主要包括化学沉淀法、水热法、气相法、溶胶-凝胶法、机械粉碎法等。但传统的制备方法在合成小粒径的二氧化硅步骤繁琐，不利于工业化大规模生产。在抗菌应用方面，纳米二氧化硅一般是作为抗菌材料的载体，而没有直接作为抗菌剂应用。
发明内容
基于此，有必要提供一种操作简便的、并且能够获得具有抗菌效果的纳米二氧化硅溶液的制备方法，并提供该制备方法获得的纳米二氧化硅溶液及其应用。
本发明的其中一个目的是提供一种纳米二氧化硅溶液的制备方法，方案如下：
一种纳米二氧化硅溶液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，取阳离子表面活性剂与碱性物质加入水中，得到混合液，所述混合液的pH值为10～13；
步骤二，将所述混合液升温至60℃～90℃，反应至溶液变为澄清，得到反应液；
步骤三，在所述反应液中加入硅源，进行反应，得到纳米二氧化硅溶液。
在其中一个实施例中，所述表面活性剂在所述混合液中的质量分数为0.02％～0.2％。
在其中一个实施例中，所述碱性物质在所述混合液中的质量分数为0.002％～0.003％。
在其中一个实施例中，所述阳离子表面活性剂选自二甲基二烯丙基氯化铵、硬脂酰胺丙基二甲胺、苄基三乙基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基二甲基苄基氯化铵、山嵛酰胺丙基二甲胺以及羟乙基月桂基二甲基氯化铵中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述硅源选自硅胶、硅酸钠、正硅酸乙酯以及正硅酸四甲酯中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述碱性物质选自三乙醇胺、氢氧化钠以及氨水中的一种或多种
在其中一个实施例中，所述硅源与所述水的质量之比为1:20～1:1000。
在其中一个实施例中，所述硅源与所述水的质量之比为1:300～1:650。
在其中一个实施例中，在所述步骤二中，反应时间为20min～40min。
在其中一个实施例中，在所述步骤三中，反应时间为2h～6h。
在其中一个实施例中，所述纳米二氧化硅的粒径为30nm～40nm。
本发明的另一个目的是提供一种纳米二氧化硅溶液，方案如下：
一种纳米二氧化硅溶液，通过上述任一实施例所述的制备方法制备得到。
本发明的又一个目的是提供所述的纳米二氧化硅溶液作为抗菌材料的应用。
与现有方案相比，上述纳米二氧化硅溶液及其制备方法具有以下有益效果：
上述纳米二氧化硅溶液的制备方法将硅源加入阳离子表面活性剂和碱性物质的混合液中进行反应，制得得到的纳米二氧化硅溶液分散性良好，粒径均匀，并且相比普通的纳米二氧化硅，具有优异的抗菌性，能够作为抗菌材料使用。上述制备方法操作简便，利于工业化大规模生产。
附图说明
图1为本发明一实施例的制备方法制备得到的纳米二氧化硅溶液的照片；
图2为本发明一实施例的制备方法制备得到的纳米二氧化硅溶液在较小倍率下的TEM照片；
图3为本发明一实施例的制备方法制备得到的纳米二氧化硅溶液在较大倍率下的TEM照片。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明一实施例的纳米二氧化硅溶液的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，取阳离子表面活性剂与碱性物质加入水中，得到混合液，所述混合液的pH值为10～13。
可选地，所述阳离子表面活性剂可以选用但不限于二甲基二烯丙基氯化铵、硬脂酰胺丙基二甲胺、苄基三乙基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基二甲基苄基氯化铵、山嵛酰胺丙基二甲胺以及羟乙基月桂基二甲基氯化铵中的一种或多种。
在其中一个示例中，所述阳离子表面活性剂在所述混合液中的质量分数为0.02％～0.2％。在一些具体的示例中，所述阳离子表面活性剂在所述混合液中的质量分数为0.05％、0.08％、0.12％、0.15％、0.2％等。
在其中一个示例中，所述碱性物质在所述混合液中的质量分数为0.002％～0.003％。在一些具体的示例中，所述碱性物质在所述混合液中的质量分数为0.002％、0.0023％、0.0026％、0.0029％等。
步骤二，将所述混合液升温至60℃～90℃，反应至溶液变为澄清，得到反应液。
在其中一个示例中，在所述步骤二中，反应时间为20min～40min。在一些具体的示例中，在所述步骤二中，反应时间为20min、25min、30min、35min、40min等。
步骤三，在所述反应液中加入硅源，进行反应，得到纳米二氧化硅溶液。
可选地，所述硅源可以采用但不限于正硅酸乙酯和正硅酸甲酯中的一种或两种。
可选地，所述碱性物质可以采用但不限于三乙醇胺、氢氧化钠以及氨水中的一种或多种。
在其中一个示例中，所述硅源与步骤一中所述水的质量之比为1:20～1:1000。
进一步地，在其中一个示例中，所述硅源与步骤一中所述水的质量之比为1:120～1:650。
上述示例的制备方法通过优选所述硅源与所述水的质量之比，能够提高纳米二氧化硅溶液对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌的抗菌效果。
进一步地，在其中一个示例中，所述硅源与步骤一中所述水的质量之比为1:300～1:650。
上述示例的制备方法通过进一步优选所述硅源与所述水的质量之比，能够提高纳米二氧化硅溶液对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌的抗菌效果。
进一步地，在其中一个示例中，所述硅源与步骤一中所述水的质量之比为1:300。
上述示例的制备方法通过进一步优选所述硅源与所述水的质量之比，能够提高纳米二氧化硅溶液对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌的抗菌效果。
在其中一个示例中，在所述步骤三中，反应时间为2h～6h。在其中一个示例中，在所述步骤三中，反应时间为2h、3h、4h、5h、6h等。
如图1所示，通过上述制备方法制备得到的纳米二氧化硅溶液为均匀的淡蓝色液体，说明体系稳定，分散性良好，有利于拓宽纳米二氧化硅的应用领域。
如图2和图3所示，通过上述制备方法制备得到的纳米二氧化硅分散性良好，没有出现团聚现象。纳米二氧化硅颗粒的粒径为30nm～40nm。
上述纳米二氧化硅溶液的制备方法将硅源加入阳离子表面活性剂和碱性物质的混合液中进行反应，制得得到的纳米二氧化硅溶液分散性良好，粒径均匀，并且相比普通的纳米二氧化硅，具有优异的抗菌性，能够作为抗菌材料使用。上述制备方法操作简便，利于工业化大规模生产。
进一步地，本发明还提供一种纳米二氧化硅溶液，其是通过上述任一示例所述的制备方法制备得到。
进一步地，本发明还提供所述的纳米二氧化硅溶液作为抗菌材料的应用。
下面提供具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于下述实施例，应当理解，所附权利要求概括了本发明的范围，在本发明构思的引导下，本领域的技术人员应意识到，对本发明的各实施例所进行的一定的改变，都将被本发明的权利要求书的精神和范围所覆盖。
实施例1
本实施例制备一种纳米二氧化硅溶液及其制备方法。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤1，称取阳离子表面活性剂(十六烷基三甲基溴化铵)，加入10mL浓度为2mol/L的氢氧化钠溶液中，再加入2000mL的水中，得到混合液。阳离子表面活性剂在混合液中的质量分数为0.003％。
步骤2，将步骤1得到的混合液在530rpm的速度下进行搅拌。一边搅拌一边缓慢升温至70℃，在此温度下保持30分钟左右直至溶液变为澄清，得到反应液。
步骤3，在步骤2得到的反应液中缓慢加入100g正硅酸乙酯，即正硅酸乙酯与步骤1中的水的质量之比为1:20。搅拌反应4h，得到纳米二氧化硅溶液。
实施例2
本实施例制备一种纳米二氧化硅溶液及其制备方法。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤1，称取阳离子表面活性剂(十六烷基三甲基溴化铵)，加入10mL浓度为2mol/L的氢氧化钠溶液中，再加入2000mL的水中，得到混合液。阳离子表面活性剂在混合液中的质量分数为0.003％。
步骤2，将步骤1得到的混合液在530rpm的速度下进行搅拌。一边搅拌一边缓慢升温至70℃，在此温度下保持30分钟左右直至溶液变为澄清，得到反应液。
步骤3，在步骤2得到的反应液中缓慢加入22.2g正硅酸乙酯，即正硅酸乙酯与步骤1中的水的质量之比为1:90。搅拌反应4h，得到纳米二氧化硅溶液。
实施例3
本实施例制备一种纳米二氧化硅溶液及其制备方法。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤1，称取阳离子表面活性剂(十六烷基三甲基溴化铵)，加入10mL浓度为2mol/L的氢氧化钠溶液中，再加入2000mL的水中，得到混合液。阳离子表面活性剂在混合液中的质量分数为0.003％。
步骤2，将步骤1得到的混合液在530rpm的速度下进行搅拌。一边搅拌一边缓慢升温至70℃，在此温度下保持30分钟左右直至溶液变为澄清，得到反应液。
步骤3，在步骤2得到的反应液中缓慢加入16.7g正硅酸乙酯，即正硅酸乙酯与步骤1中的水的质量之比为1:120。搅拌反应4h，得到纳米二氧化硅溶液。
实施例4
本实施例制备一种纳米二氧化硅溶液及其制备方法。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤1，称取阳离子表面活性剂(十六烷基三甲基溴化铵)，加入10mL浓度为2mol/L的氢氧化钠溶液中，再加入2000mL的水中，得到混合液。阳离子表面活性剂在混合液中的质量分数为0.003％。
步骤2，将步骤1得到的混合液在530rpm的速度下进行搅拌。一边搅拌一边缓慢升温至70℃，在此温度下保持30分钟左右直至溶液变为澄清，得到反应液。
步骤3，在步骤2得到的反应液中缓慢加入6.7g正硅酸乙酯，即正硅酸乙酯与步骤1中的水的质量之比为1:300。搅拌反应4h，得到纳米二氧化硅溶液。
实施例5
本实施例制备一种纳米二氧化硅溶液及其制备方法。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤1，称取阳离子表面活性剂(十六烷基三甲基溴化铵)，加入10mL浓度为2mol/L的氢氧化钠溶液中，再加入2000mL的水中，得到混合液。阳离子表面活性剂在混合液中的质量分数为0.003％。
步骤2，将步骤1得到的混合液在530rpm的速度下进行搅拌。一边搅拌一边缓慢升温至70℃，在此温度下保持30分钟左右直至溶液变为澄清，得到反应液。
步骤3，在步骤2得到的反应液中缓慢加入3.1g正硅酸乙酯，即正硅酸乙酯与步骤1中的水的质量之比为1:650。搅拌反应4h，得到纳米二氧化硅溶液。
实施例6
本实施例制备一种纳米二氧化硅溶液及其制备方法。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤1，称取阳离子表面活性剂(十六烷基三甲基溴化铵)，加入10mL浓度为2mol/L的氢氧化钠溶液中，再加入2000mL的水中，得到混合液。阳离子表面活性剂在混合液中的质量分数为0.003％。
步骤2，将步骤1得到的混合液在530rpm的速度下进行搅拌。一边搅拌一边缓慢升温至70℃，在此温度下保持30分钟左右直至溶液变为澄清，得到反应液。
步骤3，在步骤2得到的反应液中缓慢加入2.5g正硅酸乙酯，即正硅酸乙酯与步骤1中的水的质量之比为1:800。搅拌反应4h，得到纳米二氧化硅溶液。
实施例7
本实施例制备一种纳米二氧化硅溶液及其制备方法。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤1，称取阳离子表面活性剂(十六烷基三甲基溴化铵)，加入10mL浓度为2mol/L的氢氧化钠溶液中，再加入2000mL的水中，得到混合液。阳离子表面活性剂在混合液中的质量分数为0.003％。
步骤2，将步骤1得到的混合液在530rpm的速度下进行搅拌。一边搅拌一边缓慢升温至70℃，在此温度下保持30分钟左右直至溶液变为澄清，得到反应液。
步骤3，在步骤2得到的反应液中缓慢加入2g正硅酸乙酯，即正硅酸乙酯与步骤1中的水的质量之比为1:1000。搅拌反应4h，得到纳米二氧化硅溶液。
实施例8
本实施例制备一种纳米二氧化硅溶液及其制备方法。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤1，称取阳离子表面活性剂(十八烷基二甲基苄基氯化铵)，加入10mL浓度为2mol/L的氢氧化钠溶液中，再加入2000mL的水中，得到混合液。阳离子表面活性剂在混合液中的质量分数为0.002％。
步骤2，将步骤1得到的混合液在530rpm的速度下进行搅拌。一边搅拌一边缓慢升温至70℃，在此温度下保持30分钟左右直至溶液变为澄清，得到反应液。
步骤3，在步骤2得到的反应液中缓慢加入100g正硅酸乙酯，即正硅酸乙酯与步骤1中的水的质量之比为1:20。搅拌反应4h，得到纳米二氧化硅溶液。
实施例9
本实施例制备一种纳米二氧化硅溶液及其制备方法。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤1，称取阳离子表面活性剂(十八烷基二甲基苄基氯化铵)，加入10mL浓度为2mol/L的三乙醇胺溶液中，再加入2000mL的水中，得到混合液。阳离子表面活性剂在混合液中的质量分数为0.003％。
步骤2，将步骤1得到的混合液在530rpm的速度下进行搅拌。一边搅拌一边缓慢升温至70℃，在此温度下保持30分钟左右直至溶液变为澄清，得到反应液。
步骤3，在步骤2得到的反应液中缓慢加入16.7g正硅酸乙酯，即正硅酸乙酯与步骤1中的水的质量之比为1:120。搅拌反应4h，得到纳米二氧化硅溶液。
实施例10
本实施例制备一种纳米二氧化硅溶液及其制备方法。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤1，称取阳离子表面活性剂(二甲基二烯丙基氯化铵)，加入10mL浓度为2mol/L的氢氧化钠溶液中，再加入2000mL的水中，得到混合液。阳离子表面活性剂在混合液中的质量分数为0.003％。
步骤2，将步骤1得到的混合液在530rpm的速度下进行搅拌。一边搅拌一边缓慢升温至70℃，在此温度下保持30分钟左右直至溶液变为澄清，得到反应液。
步骤3，在步骤2得到的反应液中缓慢加入22.2g硅酸钠，即硅酸钠与步骤1中的水的质量之比为1:90。搅拌反应4h，得到纳米二氧化硅溶液。
实施例11
本实施例制备一种纳米二氧化硅溶液及其制备方法。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤1，称取阳离子表面活性剂(二甲基二烯丙基氯化铵)，加入10mL浓度为2mol/L的三乙醇胺溶液中，再加入2000mL的水中，得到混合液。阳离子表面活性剂在混合液中的质量分数为0.002％。
步骤2，将步骤1得到的混合液在530rpm的速度下进行搅拌。一边搅拌一边缓慢升温至90℃，在此温度下保持30分钟左右直至溶液变为澄清，得到反应液。
步骤3，在步骤2得到的反应液中缓慢加入22.2g硅酸钠，即硅酸钠与步骤1中的水的质量之比为1:90。搅拌反应4h，得到纳米二氧化硅溶液。
实施例12
本实施例制备一种纳米二氧化硅溶液及其制备方法。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤1，称取阳离子表面活性剂(十六烷基三甲基溴化铵)，加入10mL浓度为2mol/L的氨水中，再加入2000mL的水中，得到混合液。阳离子表面活性剂在混合液中的质量分数为0.003％。
步骤2，将步骤1得到的混合液在530rpm的速度下进行搅拌。一边搅拌一边缓慢升温至80℃，在此温度下保持30分钟左右直至溶液变为澄清，得到反应液。
步骤3，在步骤2得到的反应液中缓慢加入100g正硅酸乙酯，即正硅酸乙酯与步骤1中的水的质量之比为1:20。搅拌反应4h，得到纳米二氧化硅溶液。
实施例13
本实施例制备一种纳米二氧化硅溶液及其制备方法。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤1，称取阳离子表面活性剂(十六烷基三甲基溴化铵)，加入10mL浓度为2mol/L的氨水中，再加入2000mL的水中，得到混合液。阳离子表面活性剂在混合液中的质量分数为0.003％。
步骤2，将步骤1得到的混合液在530rpm的速度下进行搅拌。一边搅拌一边缓慢升温至80℃，在此温度下保持30分钟左右直至溶液变为澄清，得到反应液。
步骤3，在步骤2得到的反应液中缓慢加入22.2g正硅酸乙酯，即正硅酸乙酯与步骤1中的水的质量之比为1:90。搅拌反应4h，得到纳米二氧化硅溶液。
对比例1
本对比例制备一种纳米二氧化硅溶液及其制备方法。
本对比例的制备方法包括以下步骤：
步骤1，称取阳离子表面活性剂(十六烷基三甲基溴化铵)，加入2000mL的水中，得到混合液。阳离子表面活性剂在混合液中的质量分数为0.003％。
步骤2，将步骤1得到的混合液在530rpm的速度下进行搅拌。一边搅拌一边缓慢升温至70℃，在此温度下保持30分钟左右直至溶液变为澄清，得到反应液。
步骤3，在步骤2得到的反应液中缓慢加入100g正硅酸乙酯，即正硅酸乙酯与步骤1中的水的质量之比为1:20。搅拌反应4h，得到纳米二氧化硅溶液。
对比例2
本对比例制备一种纳米二氧化硅溶液及其制备方法。
本对比例的制备方法包括以下步骤：
步骤1，量取10mL浓度为2mol/L的氢氧化钠溶液，加入2000mL的水中，得到混合液。阳离子表面活性剂在混合液中的质量分数为0.003％。
步骤2，将步骤1得到的混合液在530rpm的速度下进行搅拌。一边搅拌一边缓慢升温至70℃，在此温度下保持30分钟左右直至溶液变为澄清，得到反应液。
步骤3，在步骤2得到的反应液中缓慢加入100g正硅酸乙酯，即正硅酸乙酯与步骤1中的水的质量之比为1:20。搅拌反应4h，得到纳米二氧化硅溶液。
将实施例1～13以及对比例1～2获得的产物进行抗菌测试，分别测试产品对大肠杆菌以及金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度(MIC)。测试结果如表1所示。
表1
上述纳米二氧化硅溶液的制备方法将硅源加入阳离子表面活性剂和碱性物质的混合液中进行反应，制得得到的纳米二氧化硅溶液分散性良好，粒径均匀，并且相比普通的纳米二氧化硅，具有优异的抗菌性，能够作为抗菌材料使用。上述制备方法操作简便，利于工业化大规模生产。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种纳米二氧化硅溶液，其特征在于，所述纳米二氧化硅溶液的制备方法包括以下步骤：
步骤一，取阳离子表面活性剂与碱性物质加入水中，得到混合液，所述混合液的pH值为10～13；
步骤二，将所述混合液升温至60℃～90℃，反应至溶液变为澄清，得到反应液；
步骤三，在所述反应液中加入硅源，进行反应，得到纳米二氧化硅溶液；
所述硅源与所述水的质量之比为1:90～1:800；
所述纳米二氧化硅的粒径为30nm～40nm。
2.如权利要求1所述的纳米二氧化硅溶液，其特征在于，所述阳离子表面活性剂在所述混合液中的质量分数为0.02％～0.2％。
3.如权利要求1所述的纳米二氧化硅溶液，其特征在于，所述碱性物质在所述混合液中的质量分数为0.002％～0.003％。
4.如权利要求1所述的纳米二氧化硅溶液，其特征在于，所述阳离子表面活性剂选自二甲基二烯丙基氯化铵、硬脂酰胺丙基二甲胺、苄基三乙基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基二甲基苄基氯化铵、山嵛酰胺丙基二甲胺以及羟乙基月桂基二甲基氯化铵中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的纳米二氧化硅溶液，其特征在于，所述硅源选自硅酸钠、正硅酸乙酯以及正硅酸甲酯中的一种或多种；和/或
所述碱性物质选自三乙醇胺、氢氧化钠以及氨水中的一种或多种。
6.如权利要求1所述的纳米二氧化硅溶液，其特征在于，所述硅源与所述水的质量之比为1:120～1:650。
7.如权利要求6所述的纳米二氧化硅溶液，其特征在于，所述硅源与所述水的质量之比为1:300～1:650。
8.如权利要求1所述的纳米二氧化硅溶液，其特征在于，在所述步骤二中，反应时间为20min～40min；和/或
在所述步骤三中，反应时间为2h～6h。
9.如权利要求1～8中任一项所述的纳米二氧化硅溶液作为抗菌材料的应用。
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