單分散納米二氧化硅的可控制備以及高濃度正硅酸乙酯條件下的反應(yīng)機理*

趙立強，南　泉，金花子

（1.青島科技大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院，山東 青島261500；2.中國科學(xué)院 金屬研究所 表面工程研究部，遼寧 沈陽110106）

科研與開發(fā)

單分散納米二氧化硅的可控制備以及高濃度正硅酸乙酯條件下的反應(yīng)機理*

趙立強1，2，南泉2，金花子2

（1.青島科技大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院，山東 青島261500；2.中國科學(xué)院 金屬研究所 表面工程研究部，遼寧 沈陽110106）

采用St?ber法，在60℃，正硅酸乙酯（TEOS）濃度為1mol·L-1的條件下制備得到粒徑為55nm的SiO2，多分散指數(shù)（Polydispersity Index，PDI）為0.05，顯示了良好的單分散性，找到了一種在高TEOS濃度、高溫條件下制備單分散納米SiO2的方法，并探討了制備機理。同時還研究了TEOS、水和NH3·H2O濃度以及反應(yīng)溫度對產(chǎn)物顆粒粒徑及其分布的影響。

St?ber法；納米二氧化硅；單分散；制備機理

如今，由于納米SiO2在很多領(lǐng)域的普遍應(yīng)用，而受到了更為廣泛關(guān)注［1］，例如建筑材料方面［2-4］、藥物緩釋［5］、聚合物納米復(fù)合材料［6，7］、高效液相色譜［8］、生物傳感器［9］、復(fù)合涂層［10，11］等。而其產(chǎn)品的質(zhì)量高度依賴于SiO2的顆粒大小及其粒徑分布［12，13］，從而增加了高科技產(chǎn)業(yè)對于粒徑可控、形貌規(guī)整的納米SiO2的需求。

St?ber等人在1968年時報道了一種開創(chuàng)性的方法，以氨水作為催化劑，在醇溶液中經(jīng)過TEOS的水解和縮聚反應(yīng)［14］，得到了0.05～2μm球形單分散納米SiO2。這種方法原料簡單，反應(yīng)條件可控，易于操作，被認(rèn)為是制備單分散SiO2最為簡單和有效的方法，許多研究者對St?ber過程進行了研究。例如：Wang［15］等人利用賴氨酸作為堿性催化劑，在0.4mol·L-1的TEOS條件下制備了小于30nm的單分散SiO2納米顆粒；XiaodongWang［16］等人使用了0.22mol·L-1的TEOS，制備了30nm的SiO2納米顆粒。這些研究基本上都是在TEOS濃度較低的條件下進行的，如果提高TEOS濃度，則會產(chǎn)生多分散的懸浮液。XiaoDongWang［16］等人在2010年報道了在高濃度TEOS（1.24mol·L-1）條件下的制備，在5℃下，成功合成了930nm的單分散SiO2微球，實驗證明，低溫能降低水解和聚合反應(yīng)的速度，同時減弱低聚物的振動，避免了低聚物之間聚結(jié)。除此之外尚未見其它在高濃度TEOS下的合成研究。

本文首先研究了反應(yīng)過程中各物質(zhì)濃度以及反應(yīng)溫度對產(chǎn)物粒徑的影響，著重對高濃度TEOS條件下的制備進行了探討，研究了在較高溫度下的反應(yīng)過程，并提出在此條件下的制備機理，旨在能夠深入了解TEOS水解聚合的過程，探討TEOS在高濃度下的反應(yīng)情況，找到一種在高TEOS濃度、高溫條件下制備單分散良好的納米SiO2的方法。

1　實驗部分

1.1試劑與儀器設(shè)備

正硅酸乙酯（TEOS）（AR國藥集團化學(xué)試劑沈陽公司）；乙醇（AR國藥集團化學(xué)試劑沈陽公司）；NH3·H2O（25%～28%）（AR國藥集團化學(xué)試劑沈陽公司）；蒸餾水（國藥集團化學(xué)試劑沈陽公司）。

INSPECT F50型掃描電鏡（America FEI）；BT-90型激光粒度儀（中國丹東百特儀器有限公司）；Bruker-Tensor27型紅外光譜儀（德國）。

1.2試驗方法與步驟

先將一定體積的水、乙醇、NH3·H2O充分混合，記做A液；再將一定體積的TEOS、乙醇均勻混合，記做B液，然后在反應(yīng)溫度下將A與B液混合，磁力攪拌并反應(yīng)一定時間，體系由原本的澄清透明，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿榘咨?，最終為均相的SiO2分散液。陳化一段時間后，取少量用于SEM進行形貌觀察；取約10mL左右，用于激光粒度儀進行粒徑及其分布測試。

2　結(jié)果與討論

2.1反應(yīng)條件

本研究首先通過控制變量法探討了TEOS、H2O 和NH3·H2O濃度以及反應(yīng)溫度對產(chǎn)物粒徑及其分布的影響，各反應(yīng)物的研究范圍為［TEOS］=0.05～1mol· L-1，［NH3·H2O］=0.1～0.7mol·L-1，［H2O］=6～20mol·L-1，T=12～60℃，試驗成功制備了20～500nm單分散的SiO2顆粒，并作圖得到粒徑隨各反應(yīng)物濃度和溫度的規(guī)律。隨后重點探討了當(dāng)［TEOS］在較高時的情況（表1中TE7-TE9），當(dāng)TEOS濃度較高時，在較高的溫度下（60℃）制備得到了納米尺度的SiO2顆粒，并且具有很小的PDI值，顯示了良好的單分散性。

PDI值的大小可以表征顆粒的均勻程度，其值越接近于0，則顆粒尺寸均勻程度越高，單分散性越好，具體計算方法如下：

式中D［4，3］：粒徑測試中的體積平均徑；D［1，0］：數(shù)量平均徑，均由激光粒度儀測量得出。

表1　合成條件與粒徑測試結(jié)果Tab.1　Synthesis Condition and The Test Results of Particle Size number

2.2NH3·H2O和H2O濃度的影響

圖1-a中顯示了粒徑隨著NH3·H2O濃度的增加而逐漸增大，NH3·H2O作為催化劑能夠同時促進TEOS的水解和縮聚，結(jié)合表1中N1-N7組PDI結(jié)果可以看出，當(dāng)氨水濃度較低時，水解速度大于聚合速度，對于反應(yīng)初期成核反應(yīng)是有利的，PDI值較小，顆粒尺寸小且均勻；而當(dāng)氨水濃度增加，聚合速度增加更快，顆粒尺寸和PDI均有增大。

圖1　物質(zhì)濃度對粒徑的影響Fig.1　Effect of Substance Concentration on Particle Size

圖1-b顯示了粒徑隨水濃度的增加，先增大后減小的趨勢，在［H2O］=16mol·L-1時取得極值，這說明水在一定濃度范圍內(nèi)能夠加快水解，同時使水解反應(yīng)更加完全，粒徑增大，達到極大值點后，過量的水會影響脫水的縮聚反應(yīng)，粒徑減小。此極值點的位置也會隨著其它反應(yīng)條件的改變而移動，Xiaodong Wang［16］和Huichun Wang［17］等人的研究結(jié)果是在［H2O］=6mol·L-1附近；Kota Sreenivasa Rao［14］等人則得到結(jié)論是在［H2O］=10mol·L-1左右，但是整體趨勢是一致的。

2.3TEOS濃度和反應(yīng)溫度的影響

圖2　TEOS濃度對粒徑的影響Fig.2　Effect of TEOS Concentration on Particle Size

由圖2可知，產(chǎn)物顆粒粒徑隨著TEOS濃度的提高而逐漸增大。

圖3　溫度對粒徑的影響Fig.3　Effect of Temperature on Particle Size

由圖3可知，粒徑則隨著溫度的升高逐漸減小。比較表1中T1～T7組實驗的PDI值會發(fā)現(xiàn)，較高的溫度還會使粒徑的分布變窄，所以在60℃下，TE1～TE9組制備的納米SiO2的PDI值都非常小，顯示了良好的單分散性。即使TEOS濃度提高到1mol·L-1時（TE9），也得到了粒徑分布很窄的顆粒。

2.4納米SiO2在高［TEOS］下的形成機理

TEOS的水解和縮聚過程十分復(fù)雜，總的來說，包括生成硅羥基的水解反應(yīng)、脫去水的縮聚反應(yīng)和脫去醇的縮聚反應(yīng)［18］，但是脫去醇的縮聚反應(yīng)討論很少，一般認(rèn)為是脫水縮聚的過程，所以在此也不詳細討論。Si原子位于正四面體中心，頂點處是四個乙氧基（-OC2H5），被逐步水解替換為羥基（-OH），然后羥基之間脫水縮聚，用來代表反應(yīng)過程中各產(chǎn)物，其中Q代表中心Si原子，上標(biāo)j代表與其相連的羥基數(shù)，下標(biāo)i代表Si-O-Si鍵的數(shù)量，則水解產(chǎn)物分別表示為、、和，代表著TEOS已經(jīng)完全水解，四個乙氧基完全被羥基取代，很多研究者并未發(fā)現(xiàn)的存在，這可能是因為其反應(yīng)活性太高，兩分子之間縮聚脫去一分子水，生成了產(chǎn)物。過程如（1）式與（2）式所示。

其中，逐步的水解過程是一個連串反應(yīng)，每一個乙氧基被羥基取代的活化能是不同的，所以反應(yīng)速率也不一樣。羥基作為富電子基團對TEOS的中心Si原子進行親核進攻，中心Si原子由4配位向5配位過度，電子云向乙氧基偏移而被減弱，最后脫去，被一個羥基取代，這一步反應(yīng)為放熱反應(yīng)，而且無需活化能，速度非常快；而當(dāng)?shù)诙€乙氧基水解時，則需要一定的活化能（29.3 kJ·mol-1）［18］，反應(yīng)速度略有降低，所以堿催化過程，雖然TEOS能夠完全水解，但是每一步的水解速度逐級減小，這可能是因為烷氧基逐步被電負性更大的羥基所取代，當(dāng)下一個羥基進行親核進攻時，電子云不易向乙氧基偏移而脫去。TEOS完全水解生成的中間產(chǎn)物是形成形貌規(guī)整、粒徑均一的SiO2的關(guān)鍵，因為它可以向三維方向生長，不完全水解產(chǎn)物、則會導(dǎo)致顆粒在某方向上的生長缺陷，生成的SiO2微球表面凹凸不平且粒徑大小不一，而則會使得某方向生長暫停。所以水解情況關(guān)系著產(chǎn)物顆粒形貌與粒徑大小。

在水和NH3·H2O加入量一定的前提下，隨著初始TEOS濃度的增加，水和NH3·H2O消耗速度增加，1個TEOS分子消耗4個水分子，生成硅醇顯弱酸性，會與NH3·H2O發(fā)生中和反應(yīng)，生成帶負電的SiO-基團，所以，隨著反應(yīng)進行，水和氨水濃度降低，水解便不能夠完全，很難再形成，而是形成不完全水解產(chǎn)物、、參與反應(yīng)，顆粒規(guī)整性開始下降，表面粗糙不平；甚至一些低聚物或者較小的顆粒被封端后失去活性，這些失活的低聚物或者小顆粒填充在大顆粒之間，造成顆粒之間粘連聚結(jié)，顆粒大小不一。由圖4a-c可知，當(dāng)反應(yīng)溫度為室溫（12℃），［TEOS］=1mol·L-1時，顆粒大小極度不均勻，而且彼此粘連聚結(jié)成塊，當(dāng)TEOS濃度減小到0.9mol·L-1時，顆粒形貌有了較大改變，雖然粒徑依然不均勻，但是聚結(jié)情況有所好轉(zhuǎn)，可以明顯分辨出顆粒彼此之間的界線，而TEOS濃度繼續(xù)減小到0.8mol·L-1時，顆粒聚結(jié)狀態(tài)則很少出現(xiàn)了。

圖4　較高TEOS濃度在室溫（12℃）下的產(chǎn)物形貌Fig.4　Morphology of Products with Higher TEOS concentration at Room Temperature（12℃）

所以當(dāng)TEOS的初始濃度較大時，需要調(diào)節(jié)其它反應(yīng)條件，使水解反應(yīng)能夠更充分的進行。XiaoDongWang［16］等人將反應(yīng)溫度降低到5℃，并且成功制備了單分散的SiO2微球，沒有聚結(jié)現(xiàn)象發(fā)生，這可能是因為更低的反應(yīng)溫度導(dǎo)致的，對此結(jié)論作者也進行了分析。而由試驗TE7-TE9可知，當(dāng)反應(yīng)溫度提高到60℃后，在較高的TEOS濃度下，也成功制備出了單分散的SiO2顆粒，PDI值分別為0.08，0.07和0.05，此結(jié)果明顯優(yōu)于圖4a-c，因為提高了反應(yīng)溫度。首先，反應(yīng)溫度的升高，對水解過程有更大的促進作用，這使得在混合之后的反應(yīng)初期水解速度大于聚合速度，TEOS能夠迅速大量完全水解成核，顆粒粒徑減小而均勻性增加，通過實驗結(jié)論得出，當(dāng)反應(yīng)溫度升高，粒徑是單調(diào)遞減的變化趨勢，也證明了升高溫度對于水解的促進作用，余錫賓［19］等人對此也做了研究論證；其次，升高溫度，使得更多未能夠完全水解的分子基團活化，越過能壘，達到進一步水解所需的活化能，從而完全水解；最后，升高溫度也有利于失活的低聚物中間體或者小顆粒在其它顆粒表面的脫附，使得被覆蓋的活性基團能夠繼續(xù)參與反應(yīng)。

3　結(jié)論

通過合成一系列不同粒徑的SiO2微球，得到了催化劑NH3·H2O、水和TEOS濃度，以及反應(yīng)溫度對產(chǎn)物粒徑及其分布的影響，隨著氨水和TEOS濃度的增加，粒徑也單調(diào)遞增；隨著水濃度的增加，粒徑先增大后減??；隨著反應(yīng)溫度的增加，粒徑單調(diào)減小，且較高的反應(yīng)溫度有利于粒徑的均勻性。

在較高的溫度（60℃），較高的TEOS濃度（1mol·L-1）下，制備了良好單分散性的納米SiO2，粒徑55nm，PDI=0.05。并且探討了此條件下的制備機理，升高溫度可以避免高TEOS濃度帶來的粒徑分布不均，顆粒規(guī)整度下降以及顆粒聚結(jié)等問題，較高的溫度更有利于水解反應(yīng)，同時使更多的未完全水解的基團活化，越過活化能能壘，充分水解，還可以加快一些失活低聚物中間體在其它顆粒表面的脫附，露出活性基團進行縮聚。這可以成為一種可行的、在高濃度TEOS條件下合成納米SiO2的方法。

致謝：

衷心感謝丹東百特儀器有限公司在動態(tài)光散射（DLS）粒徑測試方面給予支持和熱情的幫助。

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Controllable preparation of monodisperse silica and the formation mechanism under the condition of high concentration of tetra-ethyl-orthosilicate*

ZHAO Li-qiang1，2，NAN Quan2，JIN Hua-zi2
（1.College of Chemistry and Molecular Engineering，Qingdao University of Science and Technology，Qingdao 261500，China；2.Surface Engineering of Materials Division，Institute of Metal Research Chinese Acadamy of Science，Shenyang 110016，China）

Nanometer silica has been prepared through St?ber method with high concentration of TEOS at 60℃.The Polydispersity Index is equal to 0.05，which shows good monodispersion.This is a method of preparing monodisperse nano silicon dioxide at high TEOS concentration and high temperature.Meanwhile，the preparation mechanism and the effect of the temperature and the concentration of TEOS，H2O and NH3·H2O on the particle size and its distribution are studied.

St?ber method；nanometer silica；monodisperse；preparation mechanism

O643.12

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20160701

2016-03-31

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項，No：2013YQ24042102

趙立強（1990-），男，在讀碩士研究生，研究方向：膠體與界面化學(xué)。
導(dǎo)師簡介：金花子，女，高級工程師。