溶膠-凝膠法與自模板法相結合制備SiO2中空微球

張青

（唐山師范學院化學系，河北 唐山 063000）

溶膠-凝膠法與自模板法相結合制備SiO2中空微球

張青

（唐山師范學院化學系，河北 唐山 063000）

以正硅酸乙酯和甲基三甲氧基硅烷為硅源，采用sol-gel法制備SiO2膠體粒子，作為制備中空微球的前體，然后在固化劑的作用下，利用自模板法使乳液液滴外表面首先被固化，并以其自身作為模板制備SiO2中空微球，討論了去離子水用量和攪拌速率對微球尺寸的影響。通過掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、動態光散射（DLS）和低溫氮吸附法對其進行表征。結果表明，得到的SiO2中空微球球形形態規整，平均粒徑為592nm，其表面具有微孔/介孔復合結構，且在一定的范圍內，微球的尺寸隨著去離子水用量和攪拌速率的增加而逐漸減小。

二氧化硅；中空微球；溶膠-凝膠法；自模板法；粒徑分布

作為一種新型功能材料，中空微球具有密度低、比表面積大、穩定性好、化學組成及粒度可控等特點，并且其空腔可以容納大量客體分子，能產生一些基于微觀“包裹”效應的奇特性質，在眾多領域有著廣闊的應用前景[1-4]。其中，中空二氧化硅微球還具有無毒、生物相容性、光學透明性、高的球形度等優點，將藥物分子和生物活性分子載入其空腔內，可以應用于生物醫學領域[5-6]。傳統制備中空微球的方法中，大多是以無機粒子、聚合物、乳液液滴等為模板[7-12]，在粒子表面沉積或包覆化學物質，然后利用溶劑或者高溫煅燒的方式去除模板獲得中空微球。在這些方法中，通常需要加入乳化劑或者附加劑來保持體系的穩定，這樣可以較好地控制微球的球形形態，得到具有單一分散性和較窄粒徑分布的微球。但是，脫除模板或者附加劑的過程比較繁瑣，增加了反應步驟，而且由于模板或附加劑而引入的污染限制了這些材料在醫學、生物、化妝品等領域的應用。

本研究采用sol-gel法與自模板法相結合的技術制備二氧化硅中空微球，其特點是未添加任何乳化劑或者附加劑作為模板，而是通過控制反應參數，在乳化機的高速剪切攪拌下，以固化過程中自身作為模板實現液滴由外到內的固化。利用這種技術來制備二氧化硅中空微球尚未見文獻報道。與傳統的模板法相比，本方法操作簡單、反應條件溫和，免去了模板脫除的繁瑣性。分別利用SEM、TEM、DLS和低溫氮氣吸附法對所得中空微球的形貌、尺寸和表面性質進行測定和表征，并討論去離子水用量和攪拌速率對微球尺寸的影響。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

正硅酸乙酯和無水乙醇，北京化工廠；鹽酸和氨水，天津市大茂化學試劑廠；甲基三甲氧基硅烷，浙江化工有限公司；以上試劑均為分析純，實驗用水為去離子水。

采用JEOL-6700F型掃描電子顯微鏡和HITACHI H-8100 ELECTRON MICRO SCOPE型透射電子顯微鏡對微球的形貌進行表征；采用ZETA PLUS動態光散射分析儀測定微球的粒徑及粒徑分布；采用ASAP2010型比表面與孔隙度分析儀測定微球的比表面積和孔徑分布。

1.2 SiO2前體溶液的制備

混合42mL正硅酸乙酯、8.6mL甲基三甲氧基硅烷及35mL無水乙醇，并取其1/3緩慢滴加到盛有5.8mL 0.2mol/L的鹽酸溶液和25mL無水乙醇的三口燒瓶中，反應于40℃下進行12h后，在50℃下對水解產物進行旋轉蒸發處理，除去溶劑及副產物，得到透明的、具有一定黏度的SiO2溶膠，即前體溶液。

1.3 SiO2中空微球的制備

取5mL SiO2前體溶液置于反應器中，向其中加入一定量的去離子水，開動乳化機，在其高速剪切攪拌下使之充分分散。然后加入3.2mL 1.0mol/L的固化劑氨水溶液使之快速固化，固化反應進行10min后靜置1h，離心分離并充分水洗5～6次至中性，真空干燥。

2 結果與討論

2.1 微球的形貌及粒徑分布

圖1中分別為SiO2中空微球放大1萬倍的SEM照片、放大10萬倍的SEM照片和TEM照片。

從圖1中SEM和TEM照片可以看出，所制備的SiO2中空微球呈現出規整的球形形態，內部結構為中空。微球間未發生團聚，其平均粒徑為592nm。然而，利用動態光散射粒度分析得到的粒徑處于604～652nm范圍內（圖2），平均粒徑為623nm，此數值大于SEM和TEM得到的結果，這是因為在溶液中微球具有雙電層結構，形成水合半徑，而粒度分析儀測量的正是粒子的水合半徑。

圖1 SiO2中空微球的SEM整體照片、SEM放大照片和TEM照片

2.2 去離子水的用量對微球粒徑的影響

圖2 SiO2中空微球的粒徑分布

在sol-gel法與自模板法相結合制備中空微球的技術中，去離子水的用量至關重要。其用量過少會導致油相過剩，反應消耗增大；用量過多，則可能得不到穩定的乳液體系。實驗中，保持其他條件不變，研究不同用量的去離子水對SiO2中空微球形貌的影響，其結果見圖3。從圖3可以看到，隨著去離子水用量的增加，微球的粒徑是逐漸減小的。當其用量為20mL時，SiO2中空微球的粒徑處于微米水平，平均粒徑大約為80μm，見圖3(a)。當去離子水的用量超過30mL后才得到亞微米級別的微球，見圖3(b)～圖3(d)。然而，當其用量增加到50mL以上時，所得微球的平均粒徑減小到592nm，之后，再增加其用量，微球的粒徑將不再減小。這可能是因為在反應體系中去離子水充當的是分散介質，其用量的增加會對體系起到稀釋作用，這種稀釋作用會阻止小的乳液液滴團聚，那么液滴發生從外到內的固化，相應地會形成較小粒徑的微球。但是，當去離子水的用量增加到一定程度時，在固定的剪切攪拌速率下乳液液滴的尺寸被降到了最小值，達到了極限。那么，此后微球的粒徑將不再減小。

2.3 攪拌速率對微球粒徑的影響

保持其他條件不變，對不同攪拌速率下得到的SiO2中空微球進行粒徑分析。結果發現，隨著攪拌速率由2000r/min增加到22000r/min，SiO2中空微球的平均粒徑由128μm減小到623nm，并且粒徑分布逐漸變窄。當采用普通電動攪拌器形成O/W乳液時，由于其最大攪拌速率只有2000r/min，不足以穩定乳液體系，導致小的乳液液滴發生團聚，在固化劑由外至內的固化作用下就形成了尺寸比較大的微球，并且其粒徑分布較寬。只有在使用乳化機的高速剪切攪拌并且攪拌速率大于12000r/min時，才能得到亞微米尺寸的微球。然而，過高的剪切攪拌

圖3 不同用量的去離子水得到的SiO2中空微球的SEM照片

圖4 攪拌速率大于25000r/min得到的SiO2中空微球的SEM照片

速率（超過25000r/min）不利于中空微球的形成，一部分微球被震碎，見圖4。因此可以說，在一定范圍內增大攪拌速率可以減小微球的粒徑，但是攪拌速率不宜過大。

2.4 低溫氮吸附測試

低溫氮吸附法是用來表征樣品織構性質的一種重要方法。圖5分別為SiO2中空微球的氮氣吸附脫附等溫線和采用 BJH 方法得到的孔徑分布圖。

圖5 SiO2中空微球的氮氣吸附脫附等溫線和孔徑分布曲線

圖5(a)中，當比壓p/p0趨于零時，吸附曲線偏向Y軸，這說明微孔內的強吸附勢使其與氮氣有較強的作用力。并且在低比壓區，吸脫附曲線沒有完全閉合，也表明了樣品中有微孔存在。另外，在中高比壓區，可以發現明顯的滯后環，這是因為毛細管的凝聚作用導致氮氣分子在低于常壓下發生冷凝，從而填充了介孔孔道，說明微球表面還存在著介孔結構。經過計算，得到BET比表面積為490.17m2/g。孔徑分布圖中，位于2～3nm處的峰位較強，說明微球中存在較多2～3nm的孔隙。通過以上分析可知所制備的SiO2中空微球表面具有微孔/介孔復合結構。

3 結 論

利用sol-gel法與自模板法相結合的技術制備了SiO2中空微球。整個過程中未使用乳化劑或者任何附加劑作為模板，而是選擇適當的反應條件，在固化劑的作用下使液滴外表面首先被固化，以其自身作為模板實現的由外至內的包覆。分別利用SEM、TEM、粒度分析儀和低溫氮吸附測試對其形貌、粒徑和表面性質進行表征。測試結果表明，所得到的SiO2中空微球具有規整的球形形態，其表面具有微孔/介孔復合結構。并且在一定的范圍內，微球的尺寸隨著去離子水用量和攪拌速率的增加而減小。利用本方法制備SiO2中空微球的優點是：實驗操作簡單，反應條件溫和，免去了傳統方法中脫除模板的繁瑣性以及解決了由于模板的污染而導致的應用受限問題。

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Synthesis of hollow SiO2microspheres with combination of sol-gel and self-templating methods

ZHANG Qing
（School of Chemistry，Tangshan Normal College，Tangshan 063000，Hebei，China）

Firstly，SiO2shell precursor was prepared with the sol-gel method using tetraethoxysilane and methyltrimethoxysilane as silica source. Then the emulsion droplets were solidified through the self-templating method with a solidifying agent. After the outer surface of the emulsion droplets was solidified，they could serve as self-templates. Subsequently，the unreacted precursor within the emulsion droplets became solidified onto the templates as shell，producing hollow SiO2microspheres. The effects of amount of deionized water and stirring rate on the morphology and particle size of hollow silica microspheres were investigated. The morphology，particle size distribution and surface properties were characterized with scanning electron microscopy (SEM)，transmission electron microscopy (TEM)，dynamic light scattering (DLS)，and nitrogen adsorption，respectively. Experiment results indicated that the resulting microspheres with an average particle size of 592 nm were perfectly spherical，and the surface exhibited microporous/mesoporous structure. In addition，the particle size of hollow silica microspheres decreased with increasing amount of deionized water and stirring rate.

silica；hollow microspheres；sol-gel；self-templating method；particle size distribution

O 613.72

A

1000-6613（2014）06-1517-05

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.06.026

2013-12-12；修改稿日期：2014-01-13。

國家自然科學基金項目（21304044）。

作者：張青（1983―），女，博士，講師，從事核殼納米微球的制備及修飾研究。E-mail zqing0703@163.com。