[发明专利]一种粒径可控的功能化纳米二氧化硅水分散液、制备方法及应用

说明书

本发明涉及一种粒径可控的功能化纳米二氧化硅水分散液、制备方法及应用。本发明的制备方法，主要包括制备纳米二氧化硅种子溶液、制备二氧化硅有机溶剂分散液，然后在步骤(2)制备得到的二氧化硅有机溶剂分散液加入改性剂，接着在温度为60‑90℃下反应3‑5小时，之后将有机溶剂转换成水制得粒径可控功能化纳米二氧化硅水分散液。本发明是基于溶胶凝胶法制备纳米二氧化硅，方法简单，设备要求低，重复性高；通过种子‑成长法，制备粒径可控且分布极窄的纳米二氧化硅有机溶剂分散液；选择合适的改性剂与改性方法，可以制备带有不同功能基团的二氧化硅，如氨基、羧基、乙烯基等基团；通过溶剂交换制备的二氧化硅在水中呈现单分散状态。

技术领域

本发明涉及单分散非金属纳米材料制备领域，具体涉及一种粒径可控的功能化纳米二氧化硅水分散液、制备方法及应用。

背景技术

纳米二氧化硅是一种具有高比表面积、高硬度、高表面活性等优异性质的环保型非金属材料，广泛应用于涂料、生物检测以及医学领域，尤其在通过自组装制备新型功能材料方面表现更为突出，但后者的应用对二氧化硅的粒径分布提出了极高的要求。一般通过气相法或者沉淀法制备的二氧化硅，粒径分布不均匀，且在水中再分散需要特殊的工艺，能耗大；制备的分散液由于纳米颗粒的高表面能，容易出现沉淀及絮凝，这些都极大地限制了二氧化硅的应用。市售的硅溶胶系列产品，粒径与形貌可控，但是对pH介质环境极其敏感，对于应用条件有苛刻要求；采用有机物改性后的硅溶胶能够提高其稳定性，但有机改性种类有限制性且技术难度较高。

通过对纳米二氧化硅进行表面改性，可以增加二氧化硅与其他材料的配伍性，如应用于涂料中，可以增加与树脂的相容性，提高涂料成品的稳定性和性能。在二氧化硅表面引入特殊基团，如含不饱和键的二氧化硅，作为种子参与乳液聚合，制备含有二氧化硅的高性能有机无机杂化乳液。

常规的干法改性方法简单，但是容易引起二氧化硅的二次团聚，且无法有效分散。湿法改性能有效解决此问题，专利CN101914190B提出利用硅烷偶联剂在无水乙醇体系下对二氧化硅进行改性，通过溶剂交换将二氧化硅分散于单体中，例如MMA,BA等，得到的分散液需要低温储存，保持其稳定性。发明人在实际操作中发现该方法对实验条件要求高，改性后的二氧化硅在分散于单体时容易胶化，形成不稳定体系。同时，所利用的商业化二氧化硅并非完美球形，即使改性后进行异相乳液聚合过程中，由于对引发剂的吸附效率过高而产生不稳定现象，影响聚合的进行。

发明内容

本发明提供一种粒径可控的功能化纳米二氧化硅水分散液、制备方法及应用，该制备方法制备的纳米二氧化硅水分散液中的纳米二氧化硅粒径分布极窄，可根据需要添加改性剂，从而能获得不同基团改性的纳米二氧化硅水分散液，其在水性涂料中分散性更好，在乳液聚合中可以直接作为种子原位聚合制备高性能有机无机杂化乳液，具有很大的意义。

方案一

粒径可控的功能化纳米二氧化硅水分散液的制备方法，主要包括如下步骤：

(1)制备纳米二氧化硅种子溶液：在浓度3-6mM的L-精氨酸的水溶液中缓慢加入正硅酸乙酯，然后在温度为40-60℃、搅拌速率为200-250rpm下搅拌2-3天制得纳米二氧化硅种子溶液，所述的水与正硅酸乙酯的体积比为10：1-20：1；

(2)制备二氧化硅有机溶剂分散液：取步骤(1)制备的纳米二氧化硅种子加入到有机溶剂和氨水的混合溶液中，然后在搅拌速率为100-200rpm的状态下缓慢滴加正硅酸乙酯制备得到二氧化硅有机溶剂分散液，其中有机溶剂、氨水及步骤(1)制备的二氧化硅种子溶液的体积比为435-455:35:10-30；

(3)然后在步骤(2)制备得到的二氧化硅有机溶剂分散液加入改性剂，接着在温度为60-90℃下反应3-5小时，之后将有机溶剂转换成水制得粒径可控功能化纳米二氧化硅水分散液。

进一步地，步骤(2)中的有机溶剂为甲醇、乙醇、丙酮或四氢呋喃中一种或两种以上按照任意比例混合的混合物。