二氧化硅微球是一种重要的材料,是一种亲水性的乳白色悬浮液,表面的硅羟基可以与其他基团形成共价键,物理化学性质稳定,可耐高温达1000℃,在有机溶剂中保持稳定,但可溶解于强碱或HF溶液中
二氧化硅微球无孔、球形,尺寸非常均匀。二氧化硅微球的密度为 1.96 g/cm3,它们已被用于吸附细胞裂解物中的 DNA 和 RNA。它们还可以提供诸如环氧、羧化、亲和素、链霉亲和素和蛋白质 A 等功能基团。
二氧化硅微球具有比表面积可控、机械强度高、热性能和物理化学性能稳定等优异性能,在催化剂载体、吸附材料、色谱分离介质等领域得到广泛应用。二氧化硅微球的制备及应用研究是材料研究领域的热点。同时,基于二氧化硅表面结构的控制可以有效提升微球的比表面积并使其具有多种微区和特定的结构性质,有效拓展了二氧化硅微球在光学、药物递送、自组装等领域的应用。为满足日益多样化的应用需求,二氧化硅微球的制备策略已逐渐从单一的球形结构向复杂形貌的多级结构发展。
目前在二氧化硅领域,两类纳米结构受到高度重视,一类是中空介孔二氧化硅微球;另一类是单分散球形SiO2。前者具有较高的比表面积和孔容,是良好的催化剂和药物载体;后者比表面积大、分散性好,具有良好的光学和力学性能,在陶瓷、涂料、光电子等领域有重要应用。目前二氧化硅微球的制备方法主要分为干法和湿法两大类,湿法包括溶胶-凝胶法、模板法、沉淀法、超重力反应法、微乳液法和水热合成法等,干法包括气相法和电弧法等。
单分散二氧化硅微球
制备方法 硅一个 微球
- 溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法是目前制备其的主要方法,其工艺一般是将硅酸乙酯和无水乙醇按一定的摩尔比搅拌成均匀的混合溶液,在搅拌的同时缓慢加入适量的去离子水,然后调节溶液的pH值,再加入合适的表面活性剂,将所得溶液在室温下搅拌陈化得到凝胶,再经过干燥等步骤得到所需的SiO2粉末。
溶胶凝胶法制备的二氧化硅微球分散性好、尺寸可控,同时由于二氧化硅表面的硅羟基非常适合作为改性的桥梁,使其具有功能性,不断发展的改性技术为其日益扩大的应用领域提供了新的机会,例如采用单分散二氧化硅微球作为核或壳可以制备一些性能优异的材料。
- 模板方法
模板法是制备该类微球的重要方法,其主要以表面活性剂为模板,在其上交替吸附带相反电荷的聚电解质和不同粒径的SiO2粒子,生成纳米二氧化硅微球,再经高温煅烧,得到具有多孔结构的纳米二氧化硅微球。
传统模板法制备纳米二氧化硅微球工艺复杂,得到的中空二氧化硅微球壳结构比较松散容易破碎,且制备过程中条件比较苛刻,得到的中空微球形貌不易控制。采用改进模板法生成的复合微球壳厚度和形貌易于控制,得到的复合微球表面均匀、结构致密。
- 沉淀法
沉淀法是将反应物溶液与其他助剂混合,然后向混合溶液中加入酸化剂进行沉淀,所得沉淀物再经干燥、煅烧得到纳米二氧化硅微球。化学沉淀法制备二氧化硅微球工艺简单,原料来源广泛,对实验设备要求不高,能耗低,工艺简单。但其产品性能较难控制,受多种可变因素影响,需要进一步深入研究。
- 超重力方法
制备该微球的超重力反应方法就是利用超重力场中相间的传递和微观混合过程得到尽可能的强化,从而缩短反应时间,大大提高反应速率。超重力制备纳米二氧化硅微球工艺简单,原料易得,在超重力环境下,传质过程和微观混合过程得到极大强化,大大缩短了反应时间。但该方法对反应器要求较高,成本较高。
- 微乳液法
反相微乳液法是近年来发展起来的一种重要的制备方法。在W/O微乳液中,一般由表面活性剂、助表面活性剂、油(一般为极性较小的有机物)和水组成。体系中,表面活性剂包围着水相,分散在连续的油相中,被包围的水核是一个独立的“微反应器”。由于反应在水核内进行可控,制备出的纳米粒子与传统方法相比具有粒子分散性好、粒径分布窄、易于调控等优势。
微乳液法制备纳米二氧化硅粒子的反应是在水核中进行控制的,产物颗粒的大小和形状与水核的尺寸密切相关。与传统制备方法相比,微乳液法对纳米二氧化硅微球粒径的控制更为方便,且所得颗粒分散性好。因此,微乳液法在超细纳米二氧化硅微球的制备中有着广阔的前景。
- 气相法
该微球的制备方法是将卤代硅烷(如四氯化硅、四氟化硅、甲基三氯化硅等)在氢氧焰中高温水解,生成二氧化硅颗粒。
7.其他方法
由于近年来该类微球的需求量不断增大,其应用场景和制备方法也多种多样。Decher等人采用层层自组装(LBL)法制备纳米二氧化硅微球,核心通过吸附物理性质逐层沉积。在超重力实验环境下制备方法较多,反应效率大大提高,故称为超重力反应法。该工艺简单,但对实验设备要求较高,且粒径较大,限制了其发展。
目前该微球的制备已发展成一个完整的体系,但各种方法各有优缺点。溶胶凝胶法的产率低、成本高限制了其应用,仅适用于实验室制备。近年来,气相法、等离子体氧化法等方法也受到了一定的关注,均致力于解决产率低的问题。但与传统方法相比,微球的可控性、分散性、可控性等方面还存在一定差距。
二氧化硅微球粒径选择范围广,从0.1um到1um不等,该类微球对生物分子的非特异性吸附性低,不吸附蛋白质,特别适合于免疫测定等生物医学应用,此外其粒径高度均一,批次间差异小,重复性好。
二氧化硅微球在科研领域有广泛的应用,如制备链霉亲和素标记二氧化硅微球/丝素负载介孔二氧化硅空心微球;在工业领域也有广泛的应用,如催化剂载体、吸附剂、填料、化妆品、涂料等。
二氧化硅微球天然具有高亲水性,因此蛋白质在其上的非特异性吸附应该较低。二氧化硅的密度较高(PS 为 2.0 g/mL,PS 为 1.05 g/mL),导致沉降速度有显著差异。由于水中的沉降取决于微球密度与水密度之差(二氧化硅为 2.00-1.00=1.00,而 PS 为 1.05-1.00=0.05),二氧化硅微球的沉降速度大约是 PS 的 0 倍!这一重要差异可能引发一些有趣的测试和测定,因为聚集的微球沉降速度更快。小微球可用于凝集试验。未聚集的微球将保持悬浮状态,但聚集的微球将很快从溶液中掉落。