TW202335964A - 球狀表面處理二氧化矽氣凝膠及其製備方法 - Google Patents

球狀表面處理二氧化矽氣凝膠及其製備方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種具備以下性質的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠：以BET法求得之比表面積為300~1000m 2/g，以BJH法求得之孔隙體積及孔隙半徑峰值分別為1~8mL/g、1~30nm，以庫爾特計數法求得之粒度分布中的體積基準累計50%粒徑(D50)之值為1~200μm，以圖像解析法求得之平均圓度為0.8以上，且表面具有至少一種反應性官能基。

Description

球狀表面處理二氧化矽氣凝膠及其製備方法
本發明係關於一種表面具有反應性官能基的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠，以及其製備方法。
多孔二氧化矽係利用二氧化矽表面存在的矽烷醇基或透過化學鍵結導入二氧化矽表面的物質與其他分子之間的親和力，作為例如管柱填充劑、金屬吸附劑或胺基酸、肽、蛋白質或核酸的固定劑來使用。
其中，已知在表面鍵合(固定)有表現出與特定分子之特異親和力的物質(配體)的多孔二氧化矽，會與肽、蛋白質或核酸等生物分子產生特異的相互作用，從而特別是作為液相層析儀用的管柱填充劑，在生物分子的分離、分析及純化方面被廣為使用。
將配體固定在多孔二氧化矽表面的手段，一般而言為首先是透過化學鍵結將反應性官能基導入二氧化矽的表面，接著藉由導入的反應性官能基與配體的共價鍵來固定配體。舉例而言，在專利文獻1中，係使多孔二氧化矽表面的矽烷醇基與具有環氧基的表面處理劑反應來導入環氧基，接著與二胺反應來導入胺基，然後再藉由胺基與配體的共價鍵來鍵結。
當將表面固定有配體的多孔二氧化矽作為液相層析儀用的管柱填充劑使用時，其作為管柱填充劑的性能不僅取決於配體的種類或量，很大程度上還取決於多孔二氧化矽的物理性質。一般而言，多孔二氧化矽的比表面積越大，與分離對象分子的接觸面積就越大，從而提高維持力，此外，多孔二氧化矽的孔隙體積越大，液體流通時的背壓就越低。再來，因為能構築均勻的填充床，故粒子以球狀為佳。因此，為了能夠廣泛應用於生物分子的分離、分析及純化，用於固定配體的多孔二氧化矽以其比表面積及孔隙體積較大且為球狀，且表面具有固定配體所需的反應性官能基的多孔二氧化矽為佳。然而，現存的多孔二氧化矽並不能充分滿足這些要件。例如，專利文獻1中使用的多孔二氧化矽(二氧化矽凝膠)的比表面積為74m 2/g，即難謂比表面積大。
已知有一種比表面積及孔隙體積較大且為球狀多孔二氧化矽的球狀二氧化矽氣凝膠。根據專利文獻2，使用W/O型乳劑作為凝膠體的分散液，然後將分散液分離成O相和W相的兩層，以得到凝膠體分散在W相中的分散液，接著，使金屬氧化物(二氧化矽)表面的矽烷醇基與矽烷化劑反應來進行疏水化處理，藉由抑制乾燥收縮，無需利用在超臨界條件下的乾燥來除去凝膠中的分散介質，即可製備比表面積為400m 2/g以上、孔隙體積為2mL/g以上且圓度為0.8以上的球狀金屬氧化物粉體。
此外，根據專利文獻3，使用W/O型乳劑作為凝膠體的分散液，接著將凝膠體中的水分以溶劑置換後，使球狀二氧化矽氣凝膠表面的矽烷醇基與具有烴基等疏水基的表面處理劑反應，以進行疏水化處理來抑制乾燥收縮，藉此，無需利用超臨界條件來乾燥除去凝膠中的分散介質，即可簡便地製備比表面積為400m 2/g以上、孔隙體積為3mL/g以上且圓度為0.8以上的球狀二氧化矽氣凝膠。利用其比表面積及孔隙體積較大等物理特性，經疏水處理後之球狀二氧化矽氣凝膠可作為隔熱劑和化妝品添加劑來使用。
若依照專利文獻2或3中記載的製備方法，即可期待能夠簡便地製備作為液相層析儀用管柱填充劑的比表面積及孔隙體積較大的球狀二氧化矽氣凝膠。然而，為了將液相層析儀用管柱填充劑廣泛應用於生物分子的分離、分析及純化，需要將球狀二氧化矽氣凝膠表面的矽烷醇基作為跳板以導入固定配體所需的反應性官能基。因此，無法使用進行了使表面的矽烷醇基與具有疏水基的表面處理劑反應的疏水處理的專利文獻2及3中所揭示之球狀二氧化矽氣凝膠。
[先前技術文獻] [專利文獻] [專利文獻1]日本特開2011-001336號公報 [專利文獻2]日本特開2014-88307號公報 [專利文獻3]國際公開第2012/057086號公報
[發明所欲解決之問題] 如上所述，作為液相層析儀用管柱填充劑，從維持力、液體流通時的背壓、均勻填充相的構築等觀點來看，為了提供能夠較以往的多孔二氧化矽的性能為高、且可廣泛應用於生物分子的分離、分析及純化的管柱填充劑，眾所期望者，為能夠出現一種比表面積及孔隙體積較大、呈球狀且具有反應性官能基的多孔二氧化矽。
因此，本發明之目的在於提供一種比表面積及孔隙體積較大、呈球狀且表面具有反應性官能基的多孔二氧化矽。
[解決問題的技術手段] 本發明之發明人等為解決上述問題進行了廣泛的研究。其結果，發現一種方法，係以使用具有反應性官能基的表面處理劑進行表面處理來取代專利文獻2或3中所揭示之球狀二氧化矽氣凝膠的製備法中對表面的矽烷醇基進行疏水處理的步驟，而仍能夠在抑制乾燥收縮的情況下製備出比表面積及孔隙體積較大、呈球狀且表面具有反應性官能基的多孔二氧化矽。
亦即，本發明之一態樣，係具有以下性質之球狀表面處理二氧化矽氣凝膠：以BET法求得之比表面積為300~1000m 2/g，以BJH法求得之孔隙體積及孔隙半徑峰值分別為1~8mL/g、1~30nm，以庫爾特計數法求得之粒度分布中的體積基準累計50%粒徑(D50)之值為1~200μm，以圖像解析法求得之平均圓度為0.8以上，且表面具有至少一種反應性官能基。
此外，本發明之另一態樣為一種前述球狀表面處理二氧化矽氣凝膠的製備方法，係以下述順序進行以下步驟： (1)調製水性二氧化矽溶膠的步驟； (2)將該水性二氧化矽溶膠在疏水性溶劑中分散，以形成W/O乳劑的步驟； (3)將前述二氧化矽溶膠凝膠化，以將前述W/O乳劑轉化為凝膠體的分散液的步驟； (4)將前述凝膠體中的水分置換為有機溶劑的步驟； (5)以具有反應性官能基的表面處理劑處理前述凝膠體的步驟；及 (6)去除前述置換後之有機溶劑的步驟。
此外，本發明之另一態樣為一種前述球狀表面處理二氧化矽氣凝膠的製備方法，係以下述順序進行以下步驟： (a)調製水性二氧化矽溶膠的步驟； (b)將該水性二氧化矽溶膠在疏水性溶劑中分散，以形成W/O乳劑的步驟； (c)將前述二氧化矽溶膠凝膠化，以將前述W/O乳劑轉化為凝膠體的分散液的步驟； (d)將前述凝膠體的分散液分離成O相及W相兩層的步驟； (e)回收前述W相的步驟； (f)以疏水劑處理前述W相中的前述凝膠體的步驟； (g)從前述W相中回收前述凝膠體，以得到球狀二氧化矽氣凝膠粉體的步驟；及 (h)以具有反應性官能基的表面處劑處理前述球狀二氧化矽氣凝膠粉體的步驟。
此外，本發明之另一態樣為一種前述球狀表面處理二氧化矽氣凝膠的製備方法，係包含以下步驟： (A)以具有反應性官能基的表面處理劑處理經疏水處理後之球狀二氧化矽氣凝膠粉體的步驟。
[發明之功效] 本發明之一態樣的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠，因在其表面具有配體固定所需的反應性官能基，故可廣泛應用於肽、蛋白質或核酸等生物分子的分離、分析和純化，且因其比表面積及孔隙體積較大並呈球狀，故可作為維持力良好、液體流通時的背壓低且能構築均勻的填充床的管柱填充劑來使用。
此外，根據本發明之一態樣的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠的製備方法，利用具有反應性官能基的表面處理劑進行表面處理，能夠在抑制乾燥收縮的情況下，製備出比表面積及孔隙體積較大、呈球狀且具有反應性官能基的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。
以下所示之形態為本發明之例示，本發明並不限於此等形態。此外，除非另有說明，關於數值範圍的表述「A~B」係指「A以上且B以下」。如果此種表述中僅在數值B附上單位，則該單位亦適用於數值A。
一般而言，所謂球狀二氧化矽氣凝膠，係指在維持網狀固體的同時使濕潤二氧化矽凝膠中所含的溶劑乾燥，再以空氣置換後，所得之多孔二氧化矽當中形狀為球狀且孔隙率為70%以上者。在本發明中，球狀二氧化矽氣凝膠中以表面處理劑進行表面處理者，稱為球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。
在本發明中，「以BET法求得之比表面積」係指將測量對象的樣本在1kPa以下的真空中，於150℃的溫度乾燥1小時以上，然後僅測量液態氮溫度下氮氣吸附側的吸附等溫線，再以BET法分析該吸附等溫線所求得的值。此時用於分析的壓力範圍是相對壓力為0.1~0.25的範圍。「以BJH法求得之孔隙體積」係指以BJH法(Barrett, E.P.；Joyner, L.G.；Halenda, P.P.，J. Am. Chem. Soc. 1951, 73, 373.)分析以與上述相同方式取得的吸附側的吸附等溫線所得的由孔隙半徑為1 nm以上且100 nm以下的孔隙所求得之孔隙體積。「以BJH法求得之孔隙半徑峰值」係指以BJH法分析以與上述相同之方式取得的吸附側的吸附等溫線所得之圖表，即以由孔隙半徑的對數所得之累積孔隙體積的微分為縱軸、以孔隙半徑為橫軸所作成之孔隙分布曲線(體積分布曲線)中，為最大峰值的孔隙半徑之值。
本發明之一態樣的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠，其以BET法求得之比表面積為300~1000m 2/g，較佳為300~900m 2/g，特佳為300~800m 2/g的範圍。作為管柱填充劑使用時，其比表面積越大，其維持力會因與分離對象分子之接觸面積增加而越大(Giaquinto, A.；Liu, Z.；Bach, A.； Kazakevich, Y., Anal. Chem. 2008, 80, 6358-6364.)。然而，在大到超過1000m 2/g時，構成球狀表面處理二氧化矽氣凝膠之獨立粒子(二次粒子)之多孔結構(網狀結構)的一次粒子的粒徑會變小，雖會形成球狀表面處理二氧化矽氣凝膠的孔隙結構但卻無法達到足夠的尺寸，最終會導致孔隙坍陷，故難以製備。
此外，本發明之一態樣的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠，以BJH法求得之孔隙體積為1~8mL/g，較佳為1~6mL/g的範圍。當作為管柱填充劑來使用時，孔隙體積越大，亦即空隙率越高時，就如用Carman-Kozeny公式算出的結果般，液體流通時的背壓會越低。但是，如果大到超過8mL/g，則二次粒子的強度會降低，液體流通時管柱內的粒子會潰散，故仍以上述範圍為佳。
本發明之一態樣的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠在比表面積和孔隙體積於上述的適當範圍內時，以上述BJH法求得之孔隙半徑的峰值為1~30nm，較佳為5~20nm的範圍。當作為管柱填充劑使用時，由於其孔隙半徑的最適值係根據分離對象分子的尺寸而有所差異，故只要考慮與比表面積和孔隙體積之間的平衡，根據每個分離對象分子來決定孔隙半徑即可。
另外，在本發明中，「以庫爾特計數法測得之粒度分布」中的「體積基準累計50%粒徑(D50)值」，係指將30mg的測量對象樣本分散在40mL的乙醇中，在70W下用超音波粉碎裝置粉碎10分鐘後，再用庫爾特計數法測量所得之體積基準的累計50%粒徑(D50)。本發明之一態樣的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠，其D50值係為1~200μm的範圍內。當作為管柱填充劑使用時，雖可適當地使用粒徑為1μm~20μm的填充劑，但在分離、分析及純化如生物分子般分子量較大的分子時，較適為使用粒徑為20μm~200μm的填充劑。若粒徑小於1μm，則會有背壓上升的問題；另一方面，如粒徑大到超過200μm，因粒子內分子擴散的移動距離會變長而使分離性能降低，故仍以上述範圍內為佳。
此外，在本發明中，「以圖像解析法求得之平均圓度」係指使用掃描式電子顯微鏡(SEM)進行二次電子檢測，以1000倍的放大倍率觀察2000個以上的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠粒子，再針對所得之SEM圖像進行圖像解析所獲得的圓度的算術平均值。各球狀表面處理二氧化矽氣凝膠粒子的「圓度」之值，係通過下式(1)所求得。
C=4πS/L 2……(1) 式(1)中，C表示圓度。S表示該球狀表面處理二氧化矽氣凝膠粒子在圖像中所佔的面積(投影面積)。L表示圖像中該球狀表面處理二氧化矽氣凝膠粒子的外周部分的長度(周長)。二次粒子視為一個粒子，而形成凝聚粒子的粒子群亦計數為一個粒子。
構成本發明之一態樣的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠的各個獨立粒子的平均圓度為0.8以上。當平均圓度大於0.8而越接近於1時，構成該球狀表面處理二氧化矽氣凝膠的各個粒子的形狀會更接近真球狀，凝聚粒子數量也會減少，而得以構築均勻的填充床。
凝聚粒子的比例可以凝聚度來表示。凝聚度係指：稱取300 mg的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠至50 mL樣本瓶中，於30 mL乙醇中分散之，再設置於超音波粉碎裝置中並加水至與乙醇液面齊平後，於70W下進行粉碎處理10分鐘，然後以篩孔尺寸為106μm的篩子來分級凝聚體，再以150℃的乾燥機將乙醇蒸發後，所得之凝聚體在300mg的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠全體中所占的質量百分比的值。本發明之一態樣的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠之凝聚度，較佳為小於5%。作為管柱填充劑使用時，如果凝聚度小於5%，即可構築均勻的填充相。
本發明之一態樣的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠的表面具有至少一種反應性官能基。
在本發明中，「反應性官能基」係指能夠在相異化學基之間伴隨電子轉移而形成化學鍵的官能基，以選自於由一級胺基、二級胺基、硫醇基、羥基、環氧基、異氰酸基、甲醯基、羧基、酯基、醯胺基、磺酸酯基和乙烯基所組成的群組中的官能基為代表。另外，在本發明中，酯基為以化學式-COO-Y所表示的官能基，其中Y為與氧原子鍵結之元素為碳原子、氮原子或硫原子的有機基。在本發明中，酯基包含酸酐和活性酯。舉例而言，活性酯可例舉被N-羥基琥珀醯亞胺所活性化的活性酯。
在本發明中，「表面具有反應性官能基」係指反應性官能基透過化學鍵結導入至球狀二氧化矽氣凝膠表面的狀態。此處將透過化學鍵結導入新的分子鏈的手段稱作表面處理，反應性官能基可存在於被導入之分子鏈的末端、內部的任一位置，亦可複數存在於一個分子鏈。此外，導入至表面的反應性官能基的種類可為一種或複數種，又，導入至表面的的反應性官能基的數量亦無限制。另外，反應性官能基可被導入至孔隙內，而不僅是球狀二氧化矽氣凝膠的最表面。
(第一製備方法：濕式法) 本發明之一態樣的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠可藉由以下述順序進行以下步驟來製備： (1)調製水性二氧化矽溶膠的步驟； (2)將該水性二氧化矽溶膠在疏水性溶劑中分散，以形成W/O乳劑的步驟； (3)將前述二氧化矽溶膠凝膠化，以將前述W/O乳劑轉化為凝膠體的分散液的步驟； (4) 將前述凝膠體中的水分置換為有機溶劑的步驟； (5)以具有反應性官能基的表面處理劑處理前述凝膠體的步驟；及 (6)去除前述被置換之有機溶劑的步驟。 其中，步驟(1)~(3)可依照專利文獻2、3等中所記載的習知方法進行，以製備凝膠體的分散液。
步驟(4)是將凝膠體中的水分置換為有機溶劑，以順利進行步驟(5)中的表面處理的步驟。例如，以吸引過濾機等過濾分離凝膠體的分散液中的凝膠體和液體成分，用水洗淨凝膠體後再以有機溶劑洗淨凝膠體，以利用有機溶劑置換凝膠體中的水分。有機溶劑以與凝膠體和步驟(5)中所使用的具有反應性官能基的表面處理劑(以下或簡稱為表面處理劑)均具有親和性為佳，又，以不妨礙凝膠體與表面處理劑之間形成化學鍵者為佳，且以不會與導入之反應性官能基起化學反應者為佳。此有機溶劑可例舉丙酮、甲醇、乙醇、異丙醇等。其中，較適可使用乙醇。
步驟(5)是以具有反應性官能基的表面處理劑來處理凝膠體，以將反應性官能基導入球狀二氧化矽氣凝膠表面的步驟。表面處理可以是透過將具有反應性官能基的表面處理劑添加至步驟(4)中所使用的有機溶劑和凝膠體的分散液中，並攪拌固定時間來進行。
具有反應性官能基的表面處理劑中的反應性官能基，係與上述球狀表面處理二氧化矽氣凝膠的表面所具有的反應性官能基為同義。具有反應性官能基的表面處理劑之一例為以式(2)所表示之化合物，但在本發明中所使用的具有反應性官能基的表面處理劑並不限於由式(2)所表示的化合物。
R nSiX (4-n)……(2) 式2中，n表示1~3的整數，R表示在反應性官能基或結構之一部份具有反應性官能基的取代基，X表示在與具有羥基的化合物反應時，與Si原子之間的鍵結會斷裂而可從分子脫離的基(脫離基)。n為2以上時，複數的R可以相同也可以相異。此外，n為2以下時，複數的X可以相同也可以相異。
在以R表示的結構之一部份具有反應性官能基的取代基，係在由烴基或含有雜原子的烴基所組成的分子鏈的末端或內部的任何位置具有一個或複數的反應性官能基的取代基。構成分子鏈的原子數並無限制，亦可在中間具有支鏈結構。取代基中存在的反應性官能基的種類亦並無限制。
以X表示的脫離基可例示為：氯、溴等鹵素原子、甲氧基、乙氧基等烷氧基、以-NH-SiR 3表示的基、以-OSiR 3表示的基(R與式(2)中的R同義)等。
具有反應性官能基的表面處理劑，可具體例舉如3-胺基丙基三甲氧基矽烷、3-胺基丙基三乙氧基矽烷、N-2-(胺基乙基)-3-胺基丙基三甲氧基矽烷、3-巰基丙基甲基二甲氧基矽烷、3-巰基丙基三甲氧基矽烷、3-縮水甘油氧基丙基三甲氧基矽烷、3-縮水甘油氧基丙基甲基二甲氧基矽烷、3-縮水甘油氧基丙基三乙氧基矽烷、3-縮水甘油氧基丙基甲基二乙氧基矽烷、3-異氰酸基丙基三乙氧基矽烷、三-(三甲氧基甲矽烷基丙基)異氰脲酸酯、3-三甲氧基甲矽烷基丙基琥珀酸酐、乙烯基三甲氧基矽烷、乙烯基三乙氧基矽烷、對苯乙烯基三甲氧基矽烷、3-甲基丙烯醯氧基丙基甲基二甲氧基矽烷、3-丙烯醯氧基丙基三甲氧基矽烷等，但並不限於上述化合物。此等化合物為商業上可輕易獲得者，且所需化合物亦可利用習知方法合成。
上述表面處理的條件雖因應具有反應性官能基的表面處理劑的種類而有所不同，但若使用胺基丙基三甲氧基矽烷，則可在處理溫度為50℃、維持3小時左右以上的條件下進行。此外，相對於凝膠體的乾燥質量100質量份，具有反應性官能基的表面處理劑的量較適為1質量份以上且200質量份以下，但並不限於上述範圍。表面處理可使用一種表面處理劑，亦可使用複數之表面處理劑。當使用一種表面處理劑時，該表面處理劑為具有反應性官能基的表面處理劑。另一方面，當使用複數之表面處理劑時，可均為具有反應性官能基的表面處理劑，也可包含不具有反應性官能基的表面處理劑。
使用複數之表面處理劑所進行的表面處理，可在添加第一種表面處理劑並進行固定時間的處理後，再添加第二種以後的表面處理劑來進行。可藉由進行與步驟(4)中相同的操作來變更反應溶劑，亦可不進行變更而直接添加表面處理劑。
使用複數之表面處理劑所進行的表面處理，能夠有效將複數種類的反應性官能基導入表面或是防止乾燥收縮。即使是在使用一種表面處理劑的表面處理中，乾燥收縮也能得到抑制，從而對製備比表面積和孔隙體積較大、呈球狀且具有反應性官能基的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠是有效的。但是，如果具有反應性官能基的表面處理劑的空間體積大，則存在於凝膠體表面的矽烷醇基與表面處理劑在形成化學鍵時會產生位阻效應，可能會有一部分的矽烷醇基殘留下來。因此，使用具有反應性官能基的表面處理劑進行表面處理時，在導入所欲的反應性官能基後，藉由使用疏水劑來進行疏水處理，可使殘留的矽烷醇基轉變為烴基等疏水性官能基而去活化，進而更加防止乾燥收縮。此以使殘留矽烷醇基去活化為目的之疏水處理通常稱為封端。封端可使用具有疏水性官能基的疏水劑來進行。
用於封端的疏水化劑，可具體例舉如二甲基二氯矽烷、三甲基氯矽烷、甲基二氯矽烷、甲基三氯矽烷、三甲基甲氧基矽烷、甲基三甲氧基矽烷、三甲基甲矽烷基咪唑、六甲基二矽氮烷、六甲基二矽氧烷等之烷基氯矽烷、烷基甲氧基矽烷、烷基矽氮烷、烷基矽氧烷等。
步驟(6)是用於除去在步驟(5)中所使用的有機溶劑的步驟。例如，以吸引過濾機等來過濾分離進行過表面處理後的凝膠體與液體成分，並用有機溶劑洗淨即可。有機溶劑較佳為可洗淨表面處理劑且不與所導入的反應性官能基發生化學反應的溶劑。有機溶劑可例舉丙酮、甲醇、乙醇、異丙醇等。其中，較適可使用乙醇。
將過濾分離所得之表面處理後的凝膠體在乾燥機內乾燥12小時以上，可得到球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。乾燥時的溫度較佳為溶劑的沸點以上，而在表面處理的分解溫度以下，壓力較佳為在常壓(101.33kPa)至減壓下進行。
在利用濕式法所進行的的第一製備方法中，經過上述步驟(1)~(6)，可得到本發明之一態樣的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。相較於後述利用乾式法所進行的製備方法所製備出的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠，利用濕式法所進行的第一製備方法可製備出物性更加優異的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。
(第二製備方法：乾式法) 本發明之一態樣的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠可藉由以下述順序進行以下步驟來製備： (a)調製水性二氧化矽溶膠的步驟； (b)將該水性二氧化矽溶膠在疏水性溶劑中分散，以形成W/O乳劑的步驟； (c)將前述二氧化矽溶膠凝膠化，以將前述W/O乳劑轉化為凝膠體的分散液的步驟； (d)將前述凝膠體的分散液分離成O相及W相兩層的步驟； (e)回收前述W相的步驟； (f)以疏水劑處理前述W相中的前述凝膠體的步驟； (g)從前述W相中回收前述凝膠體，以得到球狀二氧化矽氣凝膠粉體的步驟；及 (h)以具有反應性官能基的表面處劑處理前述球狀二氧化矽氣凝膠粉體的步驟。
其中，步驟(a)~(f)可依照專利文獻2、專利文獻3等公開文獻所記載的製備方法進行，以得到經疏水處理後之凝膠體。依照專利文獻2，使用水性二氧化矽溶膠作為水相、O/W/O型或W/O型乳劑作為凝膠體的分散液(步驟(a)~(d))，接著分離W相再加以回收(步驟(e))，使W相中的凝膠體的矽烷醇基與具有烴基等疏水性官能基的表面處理劑反應以進行疏水化處理(步驟(f))後，以疏水性有機溶劑萃取出經疏水處理後之凝膠體並進行乾燥，即可得到經疏水處理後之球狀二氧化矽氣凝膠粉體(步驟(g))。另一方面，依照專利文獻3，使用水性二氧化矽溶膠作為水相、W/O型乳劑作為凝膠體的分散液(步驟(a)~(d))，分離W相再加以回收(步驟(e))，接著用低表面張力的溶劑置換凝膠體中的水分後，使凝膠體的矽烷醇基與具有烴基等疏水性官能基的表面處理劑反應以進行疏水化處理(步驟(f))，最後將經疏水處理後之凝膠體乾燥，即可得到經疏水處理後之球狀二氧化矽氣凝膠粉體(步驟(g))
步驟(g)係將在步驟(f)中所得之經疏水處理後之凝膠體從W相中回收，再從凝膠體中得到球狀二氧化矽氣凝膠粉體的步驟。從W相中回收上述凝膠體的方式，例如係以吸引過濾機等從凝膠體分散液中將凝膠體與液體成分過濾分離來回收凝膠體。將回收得來的經疏水處理後之凝膠體在乾燥機內乾燥1小時以上，可得到經疏水處理後之球狀二氧化矽氣凝膠粉體。乾燥時的溫度較佳為溶劑的沸點以上，壓力較佳為在常壓至減壓下進行。一般係在100℃以上(例如150℃)進行乾燥。步驟(g)中的乾燥溫度的上限並無特別限制。
在步驟(g)中，亦可對凝膠體進行燒成，或是對乾燥凝膠體所得之經疏水處理後之球狀二氧化矽氣凝膠粉體進行燒成來得到球狀二氧化矽氣凝膠粉體。藉由燒成，可以調製出表面的矽烷醇基量比燒成前還多的球狀二氧化矽氣凝膠粉體。經疏水處理後的球狀二氧化矽氣凝膠粉體的表面被疏水性官能基覆蓋，在疏水處理前存在於表面的矽烷醇基已幾乎不復存在。因此，以具有反應性官能基的表面處理劑進行直接處理所能導入的反應性官能基的量是有限的。為了導入更多的反應性官能基，較佳為對經疏水處理後之球狀二氧化矽氣凝膠粉體進行燒成以去除疏水性官能基，調製出表面的矽烷醇基量相較於燒成前更為增加的球狀二氧化矽氣凝膠粉體，並以具有反應性官能基的表面處理劑來處理所得之矽烷醇基量有所增加的球狀二氧化矽氣凝膠粉體。
燒成係可透過將凝膠體或乾燥該凝膠體所得之經疏水處理後之球狀二氧化矽氣凝膠粉體置於耐熱容器內，使用電爐等在任意溫度下加熱1小時以上來進行。燒成溫度方面，如果溫度過低，則無法充分去除疏水性官能基，因此較佳在能夠去除疏水性官能基的溫度以上來進行。能夠去除疏水性官能基的溫度，係設為以熱重示差熱分析儀(TG-DTA)測量從30℃升溫至1000℃的球狀二氧化矽氣凝膠粉體時，在吸附水的影響不可見的100℃至1000℃的範圍內可測得熱重減少2%以上的溫度。從充分去除疏水性官能基的觀點來看，這樣的燒成溫度較佳為300℃以上，更佳為500℃以上。此外，從防止球狀二氧化矽氣凝膠的孔隙崩塌的觀點來看，較佳為900℃以下，更佳為700℃以下。
步驟(h)係以具有反應性官能基的表面處理劑處理步驟(g)中所得之具有矽烷醇基的球狀二氧化矽氣凝膠粉體，以將反應性官能基導入球狀二氧化矽氣凝膠表面的步驟。表面處理包括將具有矽烷醇基的球狀二氧化矽氣凝膠粉體和具有反應性官能基的表面處理劑混合在有機溶劑中的濕式處理，以及在沒有溶劑的情況下混合具有矽烷醇基的球狀二氧化矽氣凝膠粉體及具有反應性官能基的表面處理劑的乾式處理，可使用其中任一種方法。
關於濕式處理，可參照針對利用濕式法的第一製備方法的步驟(5)所為之說明。乾式處理可在無溶劑的情況下，藉由在步驟(g)中所得之具有矽烷醇基的球狀二氧化矽氣凝膠粉體中加入具有反應性官能基的表面處理劑後混合固定時間來進行。乾式處理中的表面處理條件根據具有反應性官能基的表面處理劑的種類而有所不同，在使用胺基丙基三甲氧基矽烷的情況下，可將處理溫度設為150℃並維持一小時左右以上來進行。此外，相對於凝膠體的乾燥質量100質量份，具有反應性官能基的表面處理劑的量較適為40質量份以上且60質量份以下，但並不限於上述範圍。
可用於乾式處理的具有反應性官能基的表面處理劑的種類，與可用於濕式處理的具有反應性官能基的表面處理劑的種類相同。另外，在乾式處理中，亦可與濕式處理同樣地使用複數表面處理劑來進行表面處理。
在利用乾式法的第二製備方法中，可藉由上述步驟(a)~(h)來獲得本發明之一態樣的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。相較於上述利用濕式法的第一製備方法，利用乾式法的第二製備方法較為簡便。
(第三製備方法：乾式法) 此外，在利用乾式法的另一種製備方法(第三製備方法)中，本發明之一態樣的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠係藉由下述步驟所製備： (A)以具有反應性官能基的表面處理劑處理經疏水處理後之球狀二氧化矽氣凝膠粉體的步驟。
步驟(A)可參照針對利用乾式法的第二製備方法的步驟(h)所為之說明。在利用乾式法的第三製備方法中，可藉由上述步驟(A)來獲得本發明之一態樣的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。
步驟(A)中，可在將經疏水處理後之球狀二氧化矽氣凝膠粉體燒成後，以具有反應性官能基的表面處理劑來進行處理。藉由將經疏水處理後之球狀二氧化矽氣凝膠粉體進行燒成以去除疏水性官能基而調製出表面的矽烷醇基量相較於燒成前更為增加的球狀二氧化矽氣凝膠粉體，並以具有反應性官能基的表面處理劑來處理所得之矽烷醇基量有所增加的球狀二氧化矽氣凝膠粉體，可導入更多的反應性官能基。關於經疏水處理後之球狀二氧化矽氣凝膠粉體的燒成方法，可參照針對利用乾式法的第二製備方法的步驟(g)所為之說明。
在步驟(A)中所使用之經疏水處理後之球狀二氧化矽氣凝膠粉體，較佳為以BET法求得之比表面積為300~1000m 2/g，以BJH法求得之孔隙體積及孔隙半徑的峰值分別為1~8mL/g、1~30nm，以庫爾特計數法求得之粒度分佈中體積基準累計50%粒徑(D50)值為1~200μm，且以圖像解析法求得之平均圓度為0.8以上者。調製具有這種性質的經疏水處理後之球狀二氧化矽氣凝膠粉體的方法並無特別限制。例如，可透過專利文獻2或專利文獻3等公開文獻中記載的製備方法，來得到具有上述性質的經疏水處理後之球狀二氧化矽氣凝膠粉體。
根據利用乾式法的第三製備方法，可使用如專利文獻2及3中所記載的以傳統方法調製的經疏水處理後之球狀二氧化矽氣凝膠粉體，來製備具有反應性官能基的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。因此，相較於上述之利用濕式法的第一製備方法及利用乾式法的第二製備方法，利用乾式法的第三製備方法較為簡便。
(關於製備方法的附記說明) 在利用濕式法的第一製備方法中，球狀表面處理二氧化矽氣凝膠也可以藉由對以超臨界乾燥等習知方法製備之球狀二氧化矽氣凝膠進行步驟(5)及(6)來取得。將球狀二氧化矽氣凝膠分散在有機溶劑中，以步驟(5)中使用的表面處理劑進行表面處理，即可取得與藉由上述步驟(1)~(6)所製備出的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠具有相同物性的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。
此外，在利用乾式法的第二製備方法中，對於在步驟(e)中所得之凝膠體進行超臨界乾燥法處理來取代上述的步驟(f)~(g)，可得到具有矽烷醇基的球狀二氧化矽氣凝膠粉體。超臨界乾燥法處理的處理條件並無特別限制，可適當採用使凝膠體中的溶劑完全被超臨界二氧化碳置換的條件。這樣的處理條件為例如在40℃、9MPa下、處理時間6小時，並一邊更換超臨界二氧化碳一邊重複進行5次置換。
此外，還可以藉由轉換以表面處理導入至二氧化矽氣凝膠表面的反應性官能基，來導入所需的反應性官能基。該反應性官能基的轉換可適當使用習知方法。例如，以表面處理來製備具有環氧基作為反應性官能基的二氧化矽凝膠，並利用專利文獻1中記載的使環氧基與二胺反應的方法，可將環氧基轉換為胺基。另外，還可應用將胺基轉換為甲醯基的方法[Yang, G.；Wu, J；Xu, G.；Yang, L. , Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2010, 78, 351-356. ]、將胺基轉換為羧基的方法及將羧基轉換為酯基的方法[Jarrett, H. Q. , Journal of Chromatography, 1987, 405, 179-189. ]等來轉換反應性官能基。
藉由表面處理所導入的反應性官能基的量，係為根據以元素分析所測量之碳含量(C量)、氮含量(N量)和硫含量(S量)所計算出的值。C量、N量和S量，係藉由針對在1150℃的溫度下流通氧氣和氦氣的同時進行氧化處理所產生之二氧化碳、氮氧化物和硫氧化物的量進行定量所測得。當反應性官能基中含有氮或硫時，反應性官能基的量以元素量/(一分子反應性官能基中所含的元素數)來計算。此外，藉由轉換導入球狀表面處理二氧化矽氣凝膠表面的反應性官能基所導入的反應性官能基的量，係經由比較轉換前球狀表面處理二氧化矽氣凝膠的元素量與轉換後的元素量來算出。
此外，亦可利用反應性官能基的反應性，藉由與反應性官能基反應的化合物的量來定量所導入之反應性官能基的量。例如，可基於JIS-K-7236(環氧樹脂的環氧當量的測定方法)，以測定球狀表面處理二氧化矽氣溶膠的每單位質量的環氧基量(μmol/g)的方式來測定環氧基量。
反應性官能基的量可藉由步驟(5)中表面處理劑的用量來控制，較佳為0.5mmol/g以上。然而，當作為管柱填充劑使用時，反應性官能基的量只要考慮其與分離對象分子之間的親和力強弱來決定即可，並不限於上述範圍。
(用途) 由於本發明之一態樣的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠在表面具有反應性官能基，故能夠如專利文獻1中已揭示者般，利用反應性官能基來固定配體，以廣泛運用於肽、蛋白質或核酸等生物分子的分離、分析及純化。此外，由於其比表面積及孔隙體積較大並呈球狀，故可作為對生物分子的維持力良好、液體流通時的背壓低，且還能構築均勻的填充床的管柱填充劑來使用。
另外，還可以作為具有反應性官能基的多孔二氧化矽凝膠之用途，即作為金屬吸附劑或胺基酸、肽、蛋白質或核酸的固定劑來使用。此外，作為傳統的球狀二氧化矽氣凝膠的用途，還可作為絕熱劑或化妝品添加劑來使用。
[實施例] 以下，為了具體說明本發明，將以實施例呈現。然而，本發明不僅限於此等實施例。另外，實施例及比較例的評價係以下列方法進行。
[1.以濕式法製備球狀表面處理二氧化矽氣凝膠] ＜評價方法＞ 以BET法就比表面積之測定、以BJH法就孔隙體積之測定、以BJH法就孔隙半徑峰值之測定均係依照上述定義，使用日本貝爾股份有限公司製之BELSORP-mini所進行。
體積基準累計50%粒徑(D50)之測定，係依照上述定義，使用BECKMAN COULTER製之Multisizer 3所進行。以超音波粉碎裝置進行的粉碎處理係使用由BRANSONIC製之1510J-DTH(輸出70W)所進行。
平均圓度之測定，係依照上述定義，使用日立先端科技製之S-5500(加速電壓3.0V，二次電子檢測)所進行。
凝聚度之測定，係依照上述定義所進行。以超音波粉碎裝置進行的破碎處理係使用BRANSONIC製之1510J-DTH(輸出70W)所進行。
官能基量係依照上述定義，根據C量、N量或環氧基量來算出。C值及N值之測定係使用全自動元素分析裝置(Elementar製之vario MICRO cube)，在1150℃的溫度下流通氧氣和氦氣的同時來測定。
環氧基的測定，係依照上述定義，基於JIS-K-7236(環氧樹脂的環氧當量的測定方法)所測定。
＜實施例1＞ (凝膠體的製備(步驟(1)~(4))) 一邊用攪拌器攪拌70g硫酸(濃度9.2g/100mL)，一邊緩緩加入矽酸蘇打(濃度SiO 216.4g/100mL，Na 2O 5.4g/100mL，SiO 2莫耳量/Na 2O莫耳量＝3.2)直到pH值達到2.9，調製出pH值2.9的水性二氧化矽溶膠(步驟(1))。取140g的該二氧化矽溶膠，加入130g庚烷和1.5g脫水山梨糖醇單油酸酯，再使用均質機(IKA製，T25BS1)以5600rpm/分鐘的條件攪拌1.5分鐘，形成W/O乳劑(步驟(2))。在70℃用攪拌葉片持續攪拌所得之乳劑1小時使之凝膠化(步驟(3))。加入77g異丙醇和60g離子交換水，持續用攪拌葉片攪拌以將之分離成O相和W相。然後，加入4.8g的0.5mol/L氫氧化鈉水溶液，在70℃下進行1小時的凝膠體熟成。過濾該漿液，將得到的濾餅依序用離子交換水、乙醇洗淨，得到乙醇浸透狀態的凝膠體(步驟(4))。
(表面處理(步驟(5)、(6))) 將凝膠體分散於乙醇100g中，一邊用攪拌葉片攪拌，一邊緩緩加入胺基丙基三甲氧基矽烷(9.8g、5.0mmol/g)，在50℃下攪拌3小時(步驟(5))。過濾該漿液，將得到的濾餅用乙醇洗淨，然後在真空壓力下、150℃下加熱乾燥12小時以上，得到具有胺基作為反應性官能基的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。所得之球狀表面處理二氧化矽氣凝膠的物性評價結果示於表1。另外，官能基量係根據N量計算而出(步驟(6))。
＜實施例2＞ 凝膠體的製備，係在與實施例1相同的操作下實施。在表面處理步驟中，將凝膠體分散在100g乙醇中，一邊用攪拌葉片攪拌，一邊緩緩加入胺基丙基三甲氧基矽烷(4.9g，2.5mmol/g)，在50℃下攪拌2小時20分鐘。然後，為了進行封端，緩緩加入甲基三甲氧基矽烷(3.7g，2.5mmol/g)，並在50℃下攪拌40分鐘。過濾該漿液，將得到的濾餅用乙醇洗淨，然後在真空壓力下、150℃下加熱乾燥12小時以上，得到具有胺基作為反應性官能基，且已藉由甲基三甲氧基矽烷進行過封端的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。所得之球狀表面處理二氧化矽氣凝膠的物性評價結果示於表1。另外，官能基量係根據N量計算而出。
＜實施例3＞ 在表面處理步驟中，除係使用1, 1, 1, 1, 3, 3, 3, 3-六甲基二矽氮烷(HMDS, 2.2g，2.5mmol/g)作為用於封端的試劑之外，均與實施例2進行相同的操作，從而得到具有胺基作為反應性官能基，且已藉由HMDS進行過封端的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。所得之球狀表面處理二氧化矽氣凝膠的物性評價結果示於表1。另外，官能基量係根據N量計算而出。
＜實施例4＞ 在凝膠體的製備步驟中，除係將W/O乳劑的形成方法中的均質機(5600rpm/分鐘，1.5分鐘)改為攪拌翅片(600rpm/分鐘，10分鐘)，並把凝膠化的時間從1小時延長至2.5小時以外，均與實施例2進行相同的操作，從而得到具有胺基作為反應性官能基，且已藉由甲基三甲氧基矽烷進行過封端的大粒徑球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。所得之大粒徑球狀表面處理二氧化矽氣凝膠的物性評價結果示於表1。另外，官能基量係根據N量計算而出。
＜實施例5＞ 在表面處理步驟中，除係使用3-縮水甘油氧基丙基三甲氧基矽烷(6.4g，2.5mmol/g)取代胺基丙基三甲氧基矽烷以外，均與實施例2進行相同的操作，從而得到具有環氧基作為反應性官能基，且已藉由甲基三甲氧基矽烷進行過封端的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。所得之球狀表面處理二氧化矽氣凝膠的物性評價結果示於表1。另外，官能基量係根據環氧基量計算而出。
＜實施例6＞ 將1g的從實施例2得到之具有胺基作為反應性官能基、且已藉由甲基三甲氧基矽烷進行過封端的二氧化矽氣凝膠分散在11g的離子交換水中，一邊用攪拌器攪拌，一邊緩緩加入10%戊二醛水溶液(6.2g，15mmol/g)，在室溫下攪拌24小時。過濾該漿液，將得到的濾餅用離子交換水洗淨，然後在真空乾燥下、150℃下加熱乾燥12小時以上，得到具有甲醯基的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。所得之球狀表面處理二氧化矽氣凝膠的物性評價結果示於表1。另外，官能基量係藉由比較轉換前的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠中的C量與轉換後的C量計算而出。
＜實施例7＞ 將1g的從實施例2得到之具有胺基作為反應性官能基、且已藉由甲基三甲氧基矽烷進行過封端的二氧化矽氣凝膠分散在22g的四氫呋喃中，一邊用攪拌器攪拌，一邊緩緩加入琥珀酸酐(1.5g，15mmol/g)，在室溫下攪拌24小時。過濾該漿液，將得到的濾餅用乙醇及離子交換水洗淨，然後在真空乾燥下、150℃下加熱乾燥12小時以上，得到具有羧基的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。所得之球狀表面處理二氧化矽氣凝膠的物性評價結果示於表1。另外，官能基量係藉由比較轉換前的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠中的C量與轉換後的C量計算而出。
＜實施例8＞ 將0.3g的從實施例7得到之具有羧基作為反應性官能基、且已藉由甲基三甲氧基矽烷進行過封端的二氧化矽氣凝膠分散在5g的異丙醇中，一邊用攪拌器攪拌，一邊緩緩加入N-羥基琥珀醯亞胺(210mg，0.62mmol/g(相對於羧基量為1當量))、1- (3 -二甲基胺基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽(EDAC・HCl，350mg，0.62mmol/g)，在室溫下攪拌24小時。過濾該漿液，將得到的濾餅用異丙醇洗淨，然後在真空乾燥下、150℃下加熱乾燥12小時以上，得到具有被N-羥基琥珀醯亞胺活化的活性酯基的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。所得之球狀表面處理二氧化矽氣凝膠的物性評價結果示於表1。另外，官能基量係藉由比較轉換前的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠中的C量及N量與轉換後的C量及N量計算而出。
＜比較例1＞ 在實施例1中記載的凝膠體的製備步驟中，過濾漿液並將得到的濾餅用離子交換水、乙醇洗淨，將得到之乙醇浸透狀態的凝膠體在真空乾燥下、150℃下加熱乾燥12小時以上，得到未經表面處理的乾燥收縮之多孔二氧化矽。所得之多孔二氧化矽的物性評價結果示於表1。所得之多孔二氧化矽的凝聚粒子比例高，且平均圓度明顯小於0.8。此外，從肉眼觀察，部分凝聚粒子的粒徑超過1mm，難以利用上述之庫爾特計數法來測量粒徑。
＜比較例2＞ 對從比較例1得到之多孔二氧化矽進行與實施例2的表面處理步驟相同的操作，製備出在乾燥收縮的多孔二氧化矽中導入了反應性官能基的多孔二氧化矽。所得之具有反應性官能基的多孔二氧化矽的物性評價結果示於表1。另外，官能基量係根據N量計算而出。所得之多孔二氧化矽的凝聚粒子比例高，且平均圓度明顯小於0.8。此外，從肉眼觀察，部分凝聚粒子的粒徑超過1mm，難以利用上述之庫爾特計數法來測量粒徑。
[表1]
＜評價結果＞ 在實施例1~8中，能夠製造出平均圓度為0.8以上，且表面具有至少一種反應性官能基的目標球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。所有此等球狀表面處理的二氧化矽氣凝膠均有下列性質：以BET法求得之比表面積在300~1000m 2/g的範圍內，以BJH法求得之孔隙體積及孔隙半徑峰值分別在1~8mL/g、1~30nm的範圍內，以庫爾特計數法求得之粒度分布中的體積基準累計50%粒徑(D50)之值在1~200μm的範圍內。另一方面，在未進行表面處理之比較例1、或是對於從比較例1所得之多孔凝膠而使用具有反應性官能基的表面處理劑進行過表面處理的比較例2之中，凝聚粒子的比例高且平均圓度小於0.8，此外孔隙體積亦在1mL/g以下，而未能製造出在目的範圍內的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。
[2.以乾式法製備球狀表面處理二氧化矽氣凝膠] ＜評價方法＞ 將官能基除去的溫度係依照上述定義，使用日本理學股份有限公司(RIGAKU)製之Thermo plus EVO(TG 8120)所進行。
以BET法就比表面積之測定、以BJH法就孔隙體積之測定、以BJH法就孔隙半徑峰值之測定均係依照上述定義，使用日本貝爾股份有限公司製之BELSORP-mini所進行。
體積基準累計50%粒徑(D50)之測定，係依照上述定義，使用BECKMAN COULTER製之Multisizer 3所進行。以超音波粉碎裝置進行的粉碎處理係使用由BRANSONIC製之1510J-DTH(輸出70W)所進行。
平均圓度之測定，係依照上述定義，使用日立先端科技製之S-5500(加速電壓3.0V，二次電子檢測)所進行。
凝聚度之測定，係依照上述定義所進行。以超音波粉碎裝置進行的破碎處理係使用BRANSONIC製之1510J-DTH(輸出70W)所進行。 官能基量係依照上述定義，根據C量或N量而算出。C值及N值係使用全自動元素分析裝置(Elementar製之vario MICRO cube)，在1150℃的溫度下流通氧氣和氦氣的同時來測定。
＜實施例9＞ (凝膠體的製備(步驟(a)~(d))) 一邊用攪拌器攪拌70g硫酸(濃度9.2g/100mL)，一邊緩緩加入矽酸蘇打(濃度SiO 216.4g/100mL，Na 2O 5.4g/100mL，SiO 2莫耳量/Na 2O莫耳量＝3.2)直到pH值達到2.9，調製出pH值2.9的水性二氧化矽溶膠(步驟(a))。取140g的該二氧化矽溶膠，加入130g庚烷和1.5g脫水山梨糖醇單油酸酯，再使用均質機(IKA製，T25BS1)以13000rpm/分鐘的條件攪拌2.5分鐘，形成W/O乳劑(步驟(b))。在70℃用攪拌葉片持續攪拌所得之乳劑1小時使之凝膠化(步驟(c))。加入77g異丙醇和60g離子交換水，持續用攪拌葉片攪拌以將之分離成O相和W相(步驟(d))。然後，加入4.8g的0.5mol/L氫氧化鈉水溶液，在70℃下進行1小時的凝膠體熟成。過濾該漿液，將得到的濾餅依序用離子交換水、乙醇洗淨，得到乙醇浸透狀態的凝膠體(步驟(e))。
(疏水處理(步驟(f))) 在凝膠體中加入22g的35%鹽酸和16g的六甲基二矽氧烷，一邊攪拌一邊維持在70℃下12小時，以進行矽烷化處理。經矽烷化處理後，一邊以攪拌葉片攪拌，一邊添加16g的48%氫氧化鈉水溶液，以進行中和處理。然後，加入100g庚烷以萃取凝膠體，再以100g的去離子水進行兩次洗淨。
(球狀二氧化矽氣凝膠粉體的製備(步驟(g))) 將所得之矽烷化後的凝膠體以吸引過濾機過濾。在真空壓力下、150℃下、16小時以上的加熱下進行凝膠體的乾燥，得到經疏水處理後之球狀二氧化矽氣凝膠粉體。
(表面處理(步驟(h))) 在上述經疏水處理後之球狀二氧化矽氣凝膠粉體(7g)中加入3-縮水甘油氧基丙基三甲氧基矽烷(4.0g，2.5mmol/g)並攪拌至均勻，再使用乾燥機在150℃加熱1小時。然後，在真空壓力下、在150℃加熱3小時以進行乾燥，得到具有環氧基作為反應性官能基的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。所得之球狀表面處理二氧化矽氣凝膠的物性評價結果示於表2。另外，官能基量係藉由比較經疏水處理後的球狀二氧化矽氣凝膠中的C量與經表面處理後的C量計算而出。
＜實施例10＞ (凝膠體的製備(步驟(a)~(d))) 進行與實施例9相同的操作，得到凝膠體。
(疏水處理(步驟(f))) 進行與實施例9相同的操作，對凝膠體進行疏水處理。
(球狀二氧化矽氣凝膠粉體的製備(步驟(g))) 以吸引過濾機過濾所得之矽烷化後的凝膠體。在真空壓力下、150℃下、16小時以上的加熱下進行凝膠體的乾燥，得到經疏水處理後之球狀二氧化矽氣凝膠粉體。然後，將經疏水處理後之球狀二氧化矽氣凝膠粉體(20g)置於坩堝中，使用燒成爐加熱至200°C，並在200°C加熱1小時，然後自然冷卻，得到具有矽烷醇基的球狀二氧化矽氣凝膠粉體。
(表面處理(步驟(h))) 在上述具有矽烷醇基的球狀二氧化矽氣凝膠粉體(5g)中加入3-縮水甘油氧基丙基三甲氧基矽烷(2.9g，2.5mmol/g)並攪拌至均勻，再使用乾燥機在150℃加熱1小時。然後，在真空壓力下、在150℃加熱3小時以進行乾燥，得到具有環氧基作為反應性官能基的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。所得之球狀表面處理二氧化矽氣凝膠的物性評價結果示於表2。另外，官能基量係藉由比較燒成後的球狀二氧化矽氣凝膠中的C量與經表面處理後的C量計算而出。
＜實施例11＞ (凝膠體的製備(步驟(a)~(d))) 進行與實施例9相同的操作，得到凝膠體。
(疏水處理(步驟(f))) 進行與實施例9相同的操作，對凝膠體進行疏水處理。
(球狀二氧化矽氣凝膠粉體的製備(步驟(g))) 以吸引過濾機過濾所得之矽烷化後的凝膠體。在真空壓力下、150℃下、16小時以上的加熱下進行凝膠體的乾燥，得到經疏水處理後之球狀二氧化矽氣凝膠粉體。然後，將上述經疏水處理後之球狀二氧化矽氣凝膠粉體(10mg)以熱重示差熱分析儀(TG-DTA)進行分析，發現從400°C至420°C的範圍內重量減少率為3.4%，從而確認在410°C附近官能基會被除去。將上述經疏水處理後之球狀二氧化矽氣凝膠粉體(20g)置於坩堝中，使用燒成爐加熱至400°C，並在400°C加熱1小時，然後自然冷卻，得到具有矽烷醇基的球狀二氧化矽氣凝膠粉體。
(表面處理(步驟(h))) 在上述具有矽烷醇基的球狀二氧化矽氣凝膠粉體(12g)中加入3-縮水甘油氧基丙基三甲氧基矽烷(6.9g，2.5mmol/g)並攪拌至均勻，再使用乾燥機在150℃加熱1小時。然後，在真空壓力下、在150℃加熱3小時以進行乾燥，得到具有環氧基作為反應性官能基的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。所得之球狀表面處理二氧化矽氣凝膠的物性評價結果示於表2。另外，官能基量係藉由比較燒成後的球狀二氧化矽氣凝膠中的C量與經表面處理後的C量計算而出。
＜實施例12＞ (凝膠體的製備(步驟(a)~(d))) 進行與實施例9相同的操作，得到凝膠體。
(疏水處理(步驟(f))) 進行與實施例9相同的操作，對凝膠體進行疏水處理。
(球狀二氧化矽氣凝膠粉體的製備(步驟(g))) 以吸引過濾機過濾所得之矽烷化後的凝膠體。在真空壓力下、150℃下、16小時以上的加熱下進行凝膠體的乾燥，得到經疏水處理後之球狀二氧化矽氣凝膠粉體。然後，將上述經疏水處理後之球狀二氧化矽氣凝膠粉體(20g)置於坩堝中，使用燒成爐加熱至600°C，並在600°C加熱1小時，然後自然冷卻，得到具有矽烷醇基的球狀二氧化矽氣凝膠粉體。
(表面處理(步驟(h))) 在上述具有矽烷醇基的球狀二氧化矽氣凝膠粉體(7g)中加入3-縮水甘油氧基丙基三甲氧基矽烷(4.1g，2.5mmol/g)並攪拌至均勻，再使用乾燥機在150℃加熱1小時。然後，在真空壓力下、在150℃加熱3小時以進行乾燥，得到具有環氧基作為反應性官能基的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。所得之球狀表面處理二氧化矽氣凝膠的物性評價結果示於表2。另外，官能基量係藉由比較燒成後的球狀二氧化矽氣凝膠中的C量與經表面處理後的C量計算而出。
＜實施例13＞ (凝膠體的製備(步驟(a)~(d))) 進行與實施例9相同的操作，得到凝膠體。
(疏水處理(步驟(f))) 進行與實施例9相同的操作，對凝膠體進行疏水處理。
(球狀二氧化矽氣凝膠粉體的製備(步驟(g))) 以吸引過濾機過濾所得之矽烷化後的凝膠體。在真空壓力下、150℃下、16小時以上的加熱下進行凝膠體的乾燥，得到經疏水處理後之球狀二氧化矽氣凝膠粉體。然後，將經疏水處理後之球狀二氧化矽氣凝膠粉體(20g)置於坩堝中，使用燒成爐加熱至800°C，並在800°C加熱1小時，然後自然冷卻，得到具有矽烷醇基的球狀二氧化矽氣凝膠粉體。
(表面處理(步驟(h))) 在上述具有矽烷醇基的球狀燒成二氧化矽氣凝膠粉體(8.7g)中加入3-縮水甘油氧基丙基三甲氧基矽烷(5.1g，2.5mmol/g)並攪拌至均勻，再使用乾燥機在150℃加熱1小時。然後，在真空壓力下、在150℃加熱3小時以進行乾燥，得到具有環氧基作為反應性官能基的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。所得之球狀表面處理二氧化矽氣凝膠的物性評價結果示於表2。另外，官能基量係藉由比較燒成後的球狀二氧化矽氣凝膠中的C量與經表面處理後的C量計算而出。
＜實施例14＞ (凝膠體的製備(步驟(a)~(d))) 進行與實施例9相同的操作，得到凝膠體。
(疏水處理(步驟(f))) 進行與實施例9相同的操作，對凝膠體進行疏水處理。
(球狀二氧化矽氣凝膠粉體的製備(步驟(g))) 進行與實施例10相同的操作，得到具有矽烷醇基的球狀二氧化矽氣凝膠粉體。
(表面處理(步驟(h))) 在上述具有矽烷醇基的球狀二氧化矽氣凝膠粉體(15g)中加入胺基丙基三甲氧基矽烷(6.5g，2.5mmol/g)並攪拌至均勻，再使用乾燥機在150℃加熱1小時。然後，在真空壓力下、在150℃加熱3小時以進行乾燥，得到具有胺基作為反應性官能基的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。所得之球狀表面處理二氧化矽氣凝膠的物性評價結果示於表2。另外，官能基量係根據元素分析測量所得之N量計算而出。
＜實施例15＞ 將1g的從實施例14中所得之具有胺基作為反應性官能基的球狀二氧化矽氣凝膠分散在11g的離子交換水中，一邊用攪拌器攪拌，一邊緩緩加入10%戊二醛水溶液(6.2g，15mmol/g)，在室溫下攪拌24小時。過濾該漿液，將得到的濾餅以離子交換水洗淨，然後在真空乾燥下、150℃下加熱乾燥12小時以上，得到具有甲醯基的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。所得之球狀表面處理二氧化矽氣凝膠的物性評價結果示於表2。另外，官能基量係藉由比較轉換前之球狀表面處理二氧化矽氣凝膠的C量與轉換後的C量計算而出。
＜實施例16＞ 將1g的從實施例14中所得之具有胺基作為反應性官能基的球狀二氧化矽氣凝膠分散在22g的四氫呋喃中，一邊用攪拌器攪拌，一邊緩緩加入琥珀酸酐(1.5g，15mmol/g)，在室溫下攪拌24小時。過濾該漿液，將得到的濾餅以乙醇及離子交換水洗淨，然後在真空乾燥下、150℃下加熱乾燥12小時以上，得到具有羧基的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。所得之球狀表面處理二氧化矽氣凝膠的物性評價結果示於表2。另外，官能基量係藉由比較轉換前之球狀表面處理二氧化矽氣凝膠的C量與轉換後的C量計算而出。
＜參考例1＞ (凝膠體的製備(步驟(a)~(d))) 進行與實施例9相同的操作，得到凝膠體。
(疏水處理(步驟(f))) 進行與實施例9相同的操作，對凝膠體進行疏水處理。
(球狀二氧化矽氣凝膠粉體的製備(步驟(g))) 進行與實施例9相同的操作，得到經疏水處理後之球狀二氧化矽氣凝膠粉體。
在參考例1中，並未對上述經疏水處理後之球狀二氧化矽氣凝膠粉體進行表面處理(步驟(h))。所得之球狀二氧化矽氣凝膠粉體的物性評價結果示於表2。
＜參考例2＞ (凝膠體的製備(步驟(a)~(d))) 進行與實施例9相同的操作，得到凝膠體。
(疏水處理(步驟(f))) 進行與實施例9相同的操作，對凝膠體進行疏水處理。
(球狀二氧化矽氣凝膠粉體的製備(步驟(g))) 進行與實施例10相同的操作，得到具有矽烷醇基的球狀二氧化矽氣凝膠粉體。
在參考例2中，並未對上述具有矽烷醇基的球狀二氧化矽氣凝膠粉體進行表面處理(步驟(h))。所得之具有矽烷醇基的球狀二氧化矽氣凝膠粉體的物性評價結果示於表2。
＜參考例3＞ (凝膠體的製備(步驟(a)~(d))) 進行與實施例9相同的操作，得到凝膠體。
(疏水處理(步驟(f))) 進行與實施例9相同的操作，對凝膠體進行疏水處理。
(球狀二氧化矽氣凝膠粉體的製備(步驟(g))) 進行與實施例11相同的操作，得到具有矽烷醇基的球狀二氧化矽氣凝膠粉體。
在參考例3中，並未對上述具有矽烷醇基的球狀二氧化矽氣凝膠粉體進行表面處理(步驟(h))。所得之具有矽烷醇基的球狀二氧化矽氣凝膠粉體的物性評價結果示於表2。
＜參考例4＞ (凝膠體的製備(步驟(a)~(d))) 進行與實施例9相同的操作，得到凝膠體。
(疏水處理(步驟(f))) 進行與實施例9相同的操作，對凝膠體進行疏水處理。
(球狀二氧化矽氣凝膠粉體的製備(步驟(g))) 進行與實施例12相同的操作，得到具有矽烷醇基的球狀二氧化矽氣凝膠粉體。
在參考例4中，並未對上述具有矽烷醇基的球狀二氧化矽氣凝膠粉體進行表面處理(步驟(h))。所得之具有矽烷醇基的球狀二氧化矽氣凝膠粉體的物性評價結果示於表2。
＜參考例5＞ (凝膠體的製備(步驟(a)~(d))) 進行與實施例9相同的操作，得到凝膠體。
(疏水處理(步驟(f))) 進行與實施例9相同的操作，對凝膠體進行疏水處理。
(球狀二氧化矽氣凝膠粉體的製備(步驟(g))) 進行與實施例13相同的操作，得到具有矽烷醇基的球狀二氧化矽氣凝膠粉體。
在參考例5中，並未對上述具有矽烷醇基的球狀二氧化矽氣凝膠粉體進行表面處理(步驟(h))。所得之具有矽烷醇基的球狀二氧化矽氣凝膠粉體的物性評價結果示於表2。 [表2]
＜評價結果＞ 在實施例9~16中，能夠製造出平均圓度為0.8以上，且表面具有至少一種反應性官能基的目標球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。所有此等球狀表面處理二氧化矽氣凝膠均有下列性質：以BET法求得之比表面積在300~1000m 2/g的範圍內，以BJH法求得之孔隙體積及孔隙半徑峰值分別在1~8mL/g、1~30nm的範圍內，以庫爾特計數法求得之粒度分布中的體積基準累計50%粒徑(D50)之值在1~200μm的範圍內。另一方面，在未進行表面處理之參考例1~5中，球狀二氧化矽氣凝膠並不具有反應性官能基，而未能製造出在目的範圍內的球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。
無
無
無

Claims (11)

  1. 一種球狀表面處理二氧化矽氣凝膠，係具備以下性質： 以BET法求得之比表面積為300~1000m 2/g，以BJH法求得之孔隙體積及孔隙半徑峰值分別為1~8mL/g、1~30nm，以庫爾特計數法求得之粒度分布中的體積基準累計50%粒徑(D50)之值為1~200μm，以圖像解析法求得之平均圓度為0.8以上，且表面具有至少一種反應性官能基。
  2. 如請求項1所述之球狀表面處理二氧化矽氣凝膠，其中，反應性官能基係選自於由一級胺基、二級胺基、硫醇基、羥基、環氧基、異氰酸基、甲醯基、羧基、酯基、醯胺基、磺酸酯基和乙烯基所組成的群組。
  3. 一種如請求項1或2所述之球狀表面處理二氧化矽氣凝膠的製備方法，係以下述順序進行以下步驟： (1)調製水性二氧化矽溶膠的步驟； (2)將該水性二氧化矽溶膠在疏水性溶劑中分散，以形成W/O乳劑的步驟； (3)將前述二氧化矽溶膠凝膠化，以將前述W/O乳劑轉化為凝膠體的分散液的步驟； (4)將前述凝膠體中的水分置換為有機溶劑的步驟； (5)以具有反應性官能基的表面處理劑處理前述凝膠體的步驟；及 (6)去除前述置換後之有機溶劑的步驟。
  4. 一種如請求項1或2所述之球狀表面處理二氧化矽氣凝膠的製備方法，係以下述順序進行以下步驟： (a)調製水性二氧化矽溶膠的步驟； (b)將該水性二氧化矽溶膠在疏水性溶劑中分散，以形成W/O乳劑的步驟； (c)將前述二氧化矽溶膠凝膠化，以將前述W/O乳劑轉化為凝膠體的分散液的步驟； (d)將前述凝膠體的分散液分離成O相及W相兩層的步驟； (e)回收前述W相的步驟； (f)以疏水劑處理前述W相中的前述凝膠體的步驟； (g)從前述W相中回收前述凝膠體，以得到球狀二氧化矽氣凝膠粉體的步驟；及 (h)以具有反應性官能基的表面處劑處理前述球狀二氧化矽氣凝膠粉體的步驟。
  5. 如請求項4所述之球狀表面處理二氧化矽氣凝膠的製備方法，其中，在前述步驟(g)中，係對凝膠體或乾燥該凝膠體所得之粉體進行燒成，以得到球狀二氧化矽氣凝膠粉體。
  6. 一種管柱填充劑，係含有如請求項1或2所述之球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。
  7. 一種金屬吸附劑，係含有如請求項1或2所述之球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。
  8. 一種胺基酸、肽、蛋白質或核酸的固定劑，係含有如請求項1或2所述之球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。
  9. 一種絕熱劑，係含有如請求項1或2所述之球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。
  10. 一種化妝品添加劑，係含有如請求項1或2所述之球狀表面處理二氧化矽氣凝膠。
  11. 一種如請求項1或2所述之球狀表面處理二氧化矽氣凝膠的製備方法，係包含： (A)以具有反應性官能基的表面處理劑處理經疏水處理後之球狀二氧化矽氣凝膠粉體的步驟。
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