[发明专利]硅烷功能化的高度水溶性二氧化硅纳米粒子的制备及应用

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料领域，具体涉及一种硅烷功能化的高度水溶性二氧化硅纳米粒子的制备及其应用。

背景技术

纳米材料是21世纪科研领域的热点，由于其具有小尺寸效应、表面与界面效应，量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等导致了纳米微粒具有奇异的物化性能。

纳米二氧化硅(SiO₂)具有优越的稳定性、补强性、增稠性和触变性，同时具有材料来源易得、价格低廉、加工耗能低、对环境污染小等优点，所以在聚合物填充、改性中有广泛的应用。由于纳米SiO₂颗粒很小，比表面积大，具有亲水基团(-OH)，易于团聚，简单共混很难均匀分散到聚合物基体中，影响了纳米SiO₂性能的发挥，且纳米SiO₂表面功能基团单一，限制了纳米SiO₂在其他领域的应用，故需要对纳米SiO₂进行功能化改性。

对纳米SiO₂功能化改性的方法已经有很多报道。最常用的方法是化学接枝法，带功能基团的改性物质通过与纳米SiO₂粒子表面的羟基作用，将改性单体链接到纳米SiO₂粒子表面。这种功能化方法能够得到界面结合力强、带各种功能基团的纳米SiO₂粒子，得到的功能化的纳米SiO₂有广泛的用途。硅烷偶联剂是一类具有有机官能团的硅烷，在其分子中同时具有能和无机质材料化学结合的反应基团及与有机质材料化学结合的反应基团，广泛用于纳米SiO₂功能化改性。武汉科技大学欧阳兆辉等使用硅烷偶联剂A-151(乙烯基三乙氧基硅烷)对纳米SiO₂表面功能化改性，团聚行为得到较大改善，功能化的纳米SiO₂与丁基橡胶有良好的相容性，填充丁基橡胶能显著提高其拉伸强度。北京化工大学毋伟等在溶胶-凝胶法制备纳米SiO₂的过程中，使用硅烷偶联剂KH-560(γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷)对纳米SiO₂进行改性，形成的纳米二氧化硅-硅烷偶联剂杂化材料在环氧树脂清漆中具有良好的应用性能，表现出既增强又增韧的特性，显示出纳米效应。华南理工大学的李利君等使用硅烷偶联剂A2151(乙烯基三乙氧基硅烷)对纳米SiO₂进行改性，经硅烷偶联剂改性的二氧化硅包覆的铝颜料表面有大量有机膜存在，因而其疏水性增强，提高了其与有机树脂等的相容性。

现有硅烷偶联剂功能化改性技术得到纳米SiO₂粒子大多是粉体，或者溶液干燥之后再分散使用，造成功能化的纳米SiO₂粒子再次团聚，影响了在水中的分散性。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备硅烷功能化的高度水溶性二氧化硅纳米粒子的方法，克服硅烷改性的纳米SiO₂水溶性差的难题，并成功将功能化的纳米SiO₂粒子作为多功能交联剂制备纳米复合水凝胶。

为了解决上述问题，本发明公开了一种硅烷功能化的高度水溶性二氧化硅纳米粒子的制备方法，包括以下步骤：

将硅烷偶联剂和6倍于硅烷偶联剂质量的pH＝1-5的盐酸溶液，以及无水乙醇加入到反应器皿中，超声使硅烷偶联剂完全水解；

将水解的硅烷偶联剂、纳米SiO₂溶液和去离子水，在液体浴中反应1-4小时，温度控制在40-80℃；

加入有机溶剂萃取，离心后得到的下层固体再分散到去离子水中；

将分散得到的水溶液透析后得到高水溶性的功能化纳米SiO₂溶液。

优选的示例中，硅烷偶联剂为0.1-5g；无水乙醇为2-10ml；纳米SiO₂溶液为5-35g的30％的纳米SiO₂溶液。

优选的，本发明的硅烷偶联剂可以选择乙烯基三乙氧基硅烷，乙烯基三甲氧基硅烷，甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷或乙烯基(β-甲氧基乙氧基)硅烷中的一种。

优选的，所述萃取用的有机溶剂为四氢呋喃、乙醚、丙酮、甲醇、乙醇中的一种或者混合物。

优选的，萃取用的有机溶剂质量与被萃取液的质量比为6∶1-10∶1。

依据恩发明的另一实施例，还公开了一种采用前述高度水溶性二氧化硅纳米粒子制备高强度二氧化硅基纳米复合水凝胶的方法，包括：

对功能化纳米SiO₂溶液在磁力搅拌条件下通氮气1-6小时；