一种单分散大尺寸二氧化硅粒子的制备方法技术

本发明专利技术的一种单分散大尺寸二氧化硅粒子的制备方法属于二氧化硅粒子制备技术领域。以正硅酸四乙酯作为硅源，氨水作为催化剂，低碳链的季铵盐作为尺寸调节剂，在醇/水体系中反应，制备出单分散的大尺寸二氧化硅粒子。本发明专利技术实现了在溶胶‑凝胶法过程中，仅一步就制备出单分散的、大尺寸二氧化硅粒子。该方法制备的粒子单分散性好，具有密实的微孔结构，通过改变低碳链的季铵盐的种类调控产物表面的浸润性质，在半导体器件绝缘、微流体器件、无机涂层等方面具有良好的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种单分散大尺寸二氧化硅粒子的制备方法
：本专利技术属于二氧化硅粒子制备
，具体涉及一种单分散的、大尺寸二氧化硅粒子的制备方法。技术背景：二氧化硅粒子因其独特的性质被广泛应用于医药、色谱及催化等领域，而在500～1100nm区间的、单分散的、具有微孔结构的大尺寸二氧化硅粒子在阵列、组装、光子学晶体及液晶显示薄膜等领域具有更加实用的应用价值。一般粒子单分散性越好，粒子的品质就会越高，越有利于其功能化和应用。在常见的二氧化硅粒子的制备方法中，利用溶胶-凝胶法仅可以制备出尺寸为50～400nm之间的单分散的二氧化硅粒子(J.ColloidInterfaceSci.1968,26,62-69)。而若想制备出500～1100nm的大尺寸二氧化硅粒子往往需要采用种子法或额外引入电解质的方法。目前，种子法常以300～500nm的二氧化硅粒子作为种子，但受到种子粒子的尺寸限制，如果想要制备出更大尺寸的二氧化硅粒子，往往需要进行多次的种子再生长，这在实际操作中，极易发生自成核或粒子聚沉等现象。如，Woo-SikKim小组利用种子法，最终可制备出300～1400nm的二氧化硅粒子，但这一制备方法在操作过程中，受“硅源”浓度、滴加速率、进料时间以及搅拌速度等变量因素的影响，很难控制其进行有效的“单体添加生长”，最终导致粒子自成核，单分散性变差(见J.ColloidInterfaceSci.2005,286(2):536-542，Fig.2)；而电解质法虽然简化了实验操作，但由于受到离子强度的影响，也很难制备出单分散性良好的大尺寸二氧化硅粒子。如MikioKonno小组在反应过程中引入氯化钾，虽然粒子的尺寸能够随着盐浓度的增高而明显增大，但高盐浓度会促使粒子发生明显的聚集，粒子的单分散性变差(Langmuir.2010,26(10),7512–7515)；此外，也有人利用微乳液体系，在表面活性剂的诱导下制备大尺寸的介孔二氧化硅粒子。如YanoK.等人，利用正硅酸四甲酯作为硅源(TMOS)，十烷基三甲基溴化铵(C10TMABr)作为结构诱导剂，在适当醇、水体积比条件下，一步法就制备出大尺寸的介孔二氧化硅粒子。虽然该方法制备的大尺寸粒子单分散性也较好，但介孔结构不利于阵列或光子学晶体的应用，此外，在后期高温煅烧去除有机杂质时，也会在一定程度上破坏粒子的表面微结构和表面性质(如“硅羟基”密度等)，不利于大尺寸二氧化硅粒子的进一步功能化。综上，现有的制备大尺寸二氧化硅粒子的方法还有待改进。粒子多分散度是粒子尺寸分布宽窄的一个量度，可用粒子尺寸偏差来表示，其常规计算方法是从透射电镜照片中，选取200个以上的粒子，分别测量其粒径尺寸，然后计算其尺寸偏差(J.ColloidInterfaceSci.2000,232,102-110)。偏差越小，表明粒子尺寸分布越窄，粒径更为均一，对应的粒子多分散度值越低。当粒子多分散度值<5％时，就认为粒子是单分散的(Langmuir2008,24,1714-1720.)。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于克服
技术介绍
存在的不足，提供一种简单有效的一步法制备单分散的、大尺寸微孔结构的二氧化硅粒子。单分散的粒子是指粒子多分散度值<5％，大尺寸是指粒子尺寸在500～1100nm之间可调，微孔结构是指二氧化硅粒子内部的孔道尺寸<1nm。该制备方法操作简便，产物尺寸均一性高，此外，该方法还可轻易调控二氧化硅粒子的表面浸润性。本专利技术的技术方案如下：一种单分散大尺寸二氧化硅粒子的制备方法，是以正硅酸四乙酯作为硅源，氨水作为催化剂，低碳链的季铵盐作为尺寸调节剂，在醇/水体系中反应，制备出单分散的大尺寸二氧化硅粒子，具体的实验步骤为，依次向醇/水体系中加入低碳链的季胺盐、氨水以及正硅酸四乙酯，在15℃条件下搅拌反应8小时，得到具有单分散的大尺寸二氧化硅粒子。在本专利技术的一种单分散大尺寸二氧化硅粒子的制备方法中，所述低碳链的季胺盐是指3～8个碳链的季胺盐，优选四丙基溴化铵、四丁基溴化铵或四辛基溴化铵；其中，使用四丙基溴化铵或四丁基溴化铵时得到亲水表面的大尺寸二氧化硅粒子，而使用四辛基溴化铵时得到亲油表面的大尺寸二氧化硅粒子。在本专利技术的一种单分散大尺寸二氧化硅粒子的制备方法中，在醇/水反应体系中，所述的低碳链季胺盐的浓度优选5～30mmol/L；所述的氨水的浓度优选1.5mol/L；所述的正硅酸四乙酯的浓度优选0.1mol/L。在本专利技术的一种单分散大尺寸二氧化硅粒子的制备方法中，所述的醇/水体系，优选体积比为49:1的乙醇与水的混合溶剂。有益效果：1、本专利技术实现了在溶胶-凝胶法过程中，仅一步就制备出单分散的、大尺寸二氧化硅粒子。该方法制备的粒子单分散性好，多分散度值<5％，粒子尺寸在500～1100nm可调，且该方法制备的大尺寸二氧化硅粒子具有密实的微孔结构。2、本专利技术制备的单分散的、大尺寸无孔二氧化硅粒子可通过改变低碳链的季铵盐的种类调控其表面的浸润性质，在半导体器件绝缘、微流体器件、无机涂层等方面具有良好的应用价值。3、本专利技术的一种一步法制备单分散的、大尺寸二氧化硅粒子的方法，在适当低碳链的季铵盐浓度条件下，还可配成高效的种子溶液，使粒子发生有效的“单体添加生长”，这也为更大尺寸的、单分散性良好的、微米级二氧化硅粒子的制备提供了可能。附图说明图1为本专利技术实施例1制备的单分散的、524nm二氧化硅粒子的透射电子显微镜照片。图2为本专利技术实施例2制备的单分散的、667nm二氧化硅粒子的透射电子显微镜照片。图3为本专利技术实施例3制备的单分散的、868nm二氧化硅粒子的透射电子显微镜照片。图4为本专利技术实施例4制备的单分散的、1020nm二氧化硅粒子的透射电子显微镜照片。图5为本专利技术实施例4单分散的、1020nm二氧化硅粒子的吸附-脱附曲线。图6为本专利技术实施例4单分散的、1020nm二氧化硅粒子的HK算法的孔分布曲线。图7为本专利技术实施例4制备的单分散的、1020nm二氧化硅粒子分别分散于水中(左)和环己烷(右)中的照片。图8为本专利技术实施例5制备的单分散的、1060nm二氧化硅粒子分别分散于水中(左)和环己烷(右)中的照片。图9为本专利技术实施例7制备的单分散的、1508nm二氧化硅粒子的透射电子显微镜照片。具体实施方式：以下是本专利技术的具体实施例用的基本条件，但本专利技术能实施的范围并不限于这些条件，也不限于这些实施例：环境温度25℃，1个大气压；四丁基溴化铵，分子量259.47g/mol。四辛基溴化铵，分子量546.793g/mol。氨水，质量分数25％，密度0.90g/mL，分子量17g/mol；正硅酸四乙酯(TEOS)，密度0.931g/mL，分子量208.33g/mol；环己烷，质量分数99％，密度0.78g/mL，分子量84.16g/mol。实施例1：首先配制醇/水混合溶剂，在19.6mL乙醇溶剂中加入0.4mL水，再向醇/水溶剂中依次加入0.25mL浓度为0.4mol/L的四丁基溴化铵溶液和2.25mL质量分数为25％的浓氨水，反应温度稳定到15℃后，最后加入0.4mL正硅酸四乙酯，搅拌反应8h，反应结束后，离心去上清，水洗后，70℃将粒子烘干，得到纯净的单分散的、524nm二氧化硅粒子。其透射本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单分散大尺寸二氧化硅粒子的制备方法，是以正硅酸四乙酯作为硅源，氨水作为催化剂，低碳链的季铵盐作为尺寸调节剂，在醇/水体系中反应，制备出单分散的大尺寸二氧化硅粒子，具体的实验步骤为，依次向醇/水体系中加入低碳链的季胺盐、氨水以及正硅酸四乙酯，在15℃条件下搅拌反应8小时，得到具有单分散的大尺寸二氧化硅粒子；所述的低碳链的季胺盐是指3～8个碳链的季胺盐。

【技术特征摘要】
1.一种单分散大尺寸二氧化硅粒子的制备方法，是以正硅酸四乙酯作为硅源，氨水作为催化剂，低碳链的季铵盐作为尺寸调节剂，在醇/水体系中反应，制备出单分散的大尺寸二氧化硅粒子，具体的实验步骤为，依次向醇/水体系中加入低碳链的季胺盐、氨水以及正硅酸四乙酯，在15℃条件下搅拌反应8小时，得到具有单分散的大尺寸二氧化硅粒子；所述的低碳链的季胺盐是指3～8个碳链的季胺盐。2.根据权利要求1所述的一种单分散大尺寸二氧化硅粒子的制备方法，其特征在于，所述低碳链的季胺盐是四丙基溴化铵、四丁基溴化铵或四...

【专利技术属性】
技术研发人员：董贺，韩延东，杨文胜，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22