[发明专利]一种单分散二氧化硅微球的制备方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种单分散二氧化硅的制备技术，特别涉及了粒径分布为100-325nm的单分散二氧化硅微球的制备方法。

二、背景技术

SiO₂是一种无毒、无味、无污染的非金属材料。纳米SiO₂由于颗粒尺寸的微细化，比表面积急剧增加，使得SiO₂纳米粒子具有许多独特的性能和广泛的应用前景，如特殊光电特性、高磁阻现象、非线性电阻现象，高温下仍具有高强、高韧、稳定性好等奇异特性。另外，二氧化硅因其光学透明性、化学惰性、生物兼容性等，在现代新材料、组合纳米材料中担当重要角色。

自1968年等首次合成出单分散SiO₂以来，有关其特殊性能和应用方面的研究逐年增多。目前，人们已经可以在一定规模上制备出纳米级的单分散二氧化硅，并且已在陶瓷制品、橡胶改性、塑料、涂料、生物细胞分离和医学工程、防晒剂、颜料等方面获得广泛的应用。大粒径、单分散二氧化硅微球由于形状均一性好，尺寸可控，组成单一和表面易功能化等特点，在光子晶体的自组装、色谱填料、粒度标准物、平板显示器等方面有很大的潜在应用价值。

溶胶-凝胶法是制备二氧化硅微粒的常用方法，其主要考虑制备条件与所得的二氧化硅粒径大小的关系，而法主要考虑制备过程对所得二氧化硅小球的圆度和单分散性的影响。传统的法制备二氧化硅微球是在正硅酸乙酯-水-氨水-乙醇体系中利用正硅酸乙酯水解缩聚得到，其中氨水作为催化剂和调节剂，乙醇作为溶剂。利用法，比较容易获得粒径从几十到500nm的微球，但其圆度、单分散性、窄粒径分布和尺寸可调控制仍是目前制备二氧化硅微球的难点。目前单分散二氧化硅微球的制备方法主要有溶胶凝胶法、微乳液法等。此外，也有些研究尝试用气相法制备单分散二氧化硅粒子。其中溶胶凝胶法操作较为简单，而且法中微球的形成机理和动力学已经得到了详尽的研究。因此在体系的基础上，进行工艺条件的改变，以获得高质量的单分散二氧化硅微球成了较为理想的途径。

单分散性的二氧化硅微球在科技领域具有特殊意义，这种颗粒在标准化、情报信息、分析化学、医学及生物化学、电子封装材料等许多科学领域中有着广阔的应用前景，尤其是近几年在色谱领域中及由此派生出来的分离技术中，用作吸着材料或载体材料，是这种颗粒的又一应用领域。但是要想使二氧化硅微球具有广泛的应用领域，制备出单分散性好、粒径可控的二氧化硅微球是关键。因此，我们对制备单分散性好，尤其是制备大粒径的单分散二氧化硅微球必须做更深入的研究。

三、发明内容

技术问题：本发明的目的是针对以上技术问题，提供一种制备工艺简单，制备成本低，且粒径高度均一并保持高圆度的二氧化硅微球的制备方法。

技术方案：一种单分散性二氧化硅微球的制备方法，制备步骤为：二氧化硅种子微球的制备：向氨水的乙醇溶液中加入TEOS，其中水的浓度为2-5M，氨水的浓度0.4-0.6M，TEOS在氨水的乙醇溶液中的浓度为0.1-0.2M，25℃～55℃条件下搅拌反应5小时，得到二氧化硅微球种子；二氧化硅微球种子的生长：将上步所得二氧化硅微球种子用氨水的乙醇溶液稀释，水的浓度为2-5M，氨水的浓度0.4-0.6M，以减小其粒密度数，每隔5小时分批加入TEOS，充分搅拌，控制滴加量使得反应溶液中TEOS的浓度不高于0.03M，随着TEOS的滴加量增加，得到的二氧化硅粒径增大，反应结束后，把产物离心，并用乙醇洗涤，即得到单分散性二氧化硅微球。

在种子生长阶段，二氧化硅晶种粒密度数稀释为9.79×10¹⁵个/升。

本发明提出的二氧化硅微球合成方案为种子-生长法。通过改变种子生长过程中四乙氧基硅烷(TEOS)组分浓度、温度、氨水浓度，合成具不同粒径的种子晶体，再通过改变种子粒密度数、种子生长环境以及多步滴加TEOS的方法得到高圆度、单分散、窄粒径分布的二氧化硅微球。

单分散二氧化硅微球的制备方法为：

(1)二氧化硅种子微球的制备：选择乙醇、水和氨水的一定配比，加入3.1mL的TEOS，选择一定的反应温度，反应5小时，在不同的初始条件下，可得到粒径为几十到一百多纳米的二氧化硅微球种子。

(2)二氧化硅种子微球的生长：将已得到的二氧化硅种子晶体稀释，以减小其粒密度数，并改变乙醇、水和氨水的浓度比，缓慢加入1mL TEOS，充分搅拌并每隔5小时滴加一次TEOS，将此步骤重复数次，反应结束后，把产物离心，并用乙醇洗涤三次，即得到粒径与滴加次数相关的高圆度和单分散性的二氧化硅微球。