疏水性可調型納米二氧化硅的制備

王 維，劉玉碩，房冉冉，譚向君，馬智超

（中國石油大學勝利學院機械與控制工程學院，山東東營 257061）

納米SiO2強度高，模量大，具有許多優異的性能[1]，作為有機基體中的無機填料廣泛應用于橡膠、塑料、涂料、陶瓷、高分子復合材料、功能材料等領域[2-3]，然而納米SiO2表面攜帶大量羥基，在有機基體中不能很好地分散，所以需要進行表面改性[4-7]。

表面潤濕性是指液體在固體材料表面的鋪展能力，通常以水滴在其表面上形成的接觸角來衡量。接觸角小于90°的表面為親水表面，大于90°的表面為疏水表面[8]。為了提升納米SiO2與有機基體的相容性，常借助偶聯劑[9]進行有機化改性，用疏水性強的基團置換納米SiO2表面的羥基，使之由強親水性轉化為一定程度的疏水性[10]。

Luo等[11]采用十六烷基三甲氧基硅烷和二苯基二甲氧基硅烷對納米二氧化硅進行表面改性，并引入有機官能團，顯著增強了二氧化硅的疏水性，有效抑制了納米二氧化硅的團聚。另外，據大量文獻記載，材料表面的潤濕性可通過一定方式調節，如表面粗糙度，即在一定程度下表面越粗糙，材料越傾向于弱親水或疏水[12-13]。粗糙度調節潤濕性可由構建表面微納米形貌實現[14]，至今已有較多研究，而在結構調節潤濕性方面的報道較少，因此有必要開展相關研究工作。鑒于此，以納米SiO2為原料，以碳鏈依次增長的辛烷基、十二烷基及十六烷基三乙氧基硅烷作為改性劑，采用脫醇縮合法制備強疏水、低能態、有機相容性好的疏水納米SiO2，并進一步得出一種由結構控制潤濕性的“潤濕調控”機制。

1 實驗

1.1 儀器與試劑

儀器：Nicolet6700型傅立葉變換紅外光譜儀（日本島津公司）；JEM2100型透射電鏡（日本電子公司）；JC2000D型接觸角測量儀（上海中晨數字技術設備有限公司）；Tristar3020型全自動比表面和孔隙分析儀（麥克默瑞提克儀器有限公司）。

試劑：納米SiO2（工業級、粒徑為15 nm，四川基材科技）；甲苯（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）；辛烷基三乙氧基硅烷、十二烷基三乙氧基硅烷、十六烷基三乙氧基硅烷（均為分析純，曲阜市萬達化工有限公司）。

1.2 方法

硅烷偶聯劑對材料改性時，通常預先將硅烷偶聯劑用醇水溶液稀釋，但極易造成處于熱力學非穩定狀態下的納米SiO2團聚[15-16]。為減輕團聚，提高反應接枝率，實驗在無水體系中，以甲苯為溶劑，采用脫醇縮合法將C—C有機長鏈嫁接到納米SiO2上。

1）疏水納米SiO2粉體制備

將干燥好的納米SiO2顆粒分散于甲苯中并置于三口燒瓶中，向其中滴加辛烷基三乙氧基硅烷、十二烷基三乙氧基硅烷或十六烷基三乙氧基硅烷，在40℃水浴及攪拌條件下回流反應5 h，反應完成后將產物高速離心分離，傾倒上清液，用去離子水、無水乙醇分別將膏體洗滌數遍，經真空干燥、研磨得到白色蓬松的疏水納米SiO2粉體。

2）紅外光譜、透射電鏡分析及比表面積測定

紅外光譜（IR）分析：以KBr壓片法進行紅外光譜分析，掃描波數4 000～400 cm-1。透射電鏡（TEM）分析：無水乙醇稀釋粉體至一定濃度，吸取少量溶液滴至鍍有碳膜的銅網上，待自然晾干后，用電鏡觀察其外觀形貌、尺寸大小及分散情況。比表面積（BET）測定：用高純N2作為吸附介質，在液氮-196℃下，利用靜態容量法進行低溫N2物理吸附測試。

3）潤濕性的測試

用壓片機將粉體壓成圓片，用精密針管移取5～10 μL水，記錄水滴在圓片表面穩定時所形成的角度作為該點的接觸角。重復測試取10個液滴的接觸角平均值作為水在該固體表面的接觸角。

4）固體表面自由能的計算

固體表面自由能由液體在固體表面接觸角的大小計算得出。選取水在常溫下的表面張力值，采用Young’s方程[17]計算求得改性前后納米SiO2的表面自由能。

5）有機相溶性測試

分別稱取0.2 g未改性及3種改性納米SiO2顆粒加入到量筒中，添加石蠟液至25 mL刻度，超聲波分散5 min后開始計時，記錄最上層顆粒的位置完全降到底部的時間，以表征改性后納米SiO2與有機介質的相溶性。

2 結果與討論

2.1 產物結構的表征

2.1.1 紅外光譜分析

對改性納米SiO2進行紅外光譜測試表征其分子結構，其中十二烷基三乙氧基硅烷改性納米SiO2的紅外光譜圖如下圖1所示。

圖1 十二烷基三乙氧基硅烷改性納米SiO2紅外光譜圖Fig.1 Infrared spectroscopy of dodecyl triethoxysilane modified nano-SiO2

圖1 中由上到下依次為十二烷基三乙氧基硅烷、未改性納米SiO2以及改性納米SiO2紅外光譜圖。對比3種物質的紅外光譜發現：改性后的納米SiO2在2 927、2 849 cm-1處出現了—CH不對稱伸縮振動峰，這些峰來自于十二烷基三乙氧基硅烷；并且在3 430 cm-1處的—OH伸縮振動峰，比未改性納米SiO2強度減弱，說明羥基數目減少。考察得出，十二烷基鏈已經成功嫁接到納米SiO2顆粒的表面。另外，辛烷基三乙氧基硅烷、十六烷基三乙氧基硅烷改性納米SiO2的紅外光譜圖與此類似。

2.1.2 透射電鏡分析

改性前后納米SiO2的透射電鏡圖如圖2所示。對比改性前后納米SiO2的形貌發現，未改性納米SiO2團聚現象比較嚴重，顆粒形狀不規則且相互堆疊，無法區分各顆粒的明確界限，這對發揮納米SiO2的性能優勢極其不利。改性后納米SiO2顆粒打破了團聚，具有良好的分散性，顆粒近似呈球形分布，形態規則，粒度均勻，基本都能保持在20 nm左右。

2.1.3 比表面積測定

低溫N2吸附采用容量法，以N2為吸附介質，在液氮溫度-196℃下進行吸脫附，由等溫線數據通過BET法計算得到樣品比表面積。計算得到改性前后納米SiO2比表面積分別為316.8、232.6 m2/g，改性后比表面積減小。

圖2 改性前、后納米SiO2透射電鏡圖像Fig.2 TEM images of unmodified and modified nano-SiO2

2.2 潤濕性測試

2.2.1 改性劑濃度對納米SiO2潤濕性的影響

圖3為納米SiO2表面修飾不同配比十二烷基三乙氧基硅烷的潤濕角照片，選取十二烷基三乙氧基硅烷與納米 SiO2配比（質量比）分別為 0∶1、0.5∶1、1∶1、1.5∶1、2∶1、3∶1、3.5∶1 和 4∶1，將潤濕角照片記錄到圖3a—h中。

圖3 不同改性劑配比下十二烷基三乙氧基硅烷改性納米SiO2的潤濕角Fig.3 Wetting angle of dodecyl triethoxysilane modified nano-SiO2under different modifier ratios

圖3 中的潤濕角從a到h依次為23.15、43.77、64.18、89.99、130.14、114.72、110.92 及 110.54 °。當改性劑濃度為0，即未改性時，水珠鋪開，球徑較大，接觸角為23.15°。隨著改性劑濃度的增加，水珠逐漸拱起，球徑逐漸變小。當改性劑質量比達到1.5∶1時，水珠呈半球形，接觸角達89.99°，此時達到親水與疏水表面的臨界值。繼續增加改性劑濃度，水珠繼續拱起，有離開表面的趨勢，接觸角為130.14°達到最大。而進一步增加改性劑濃度，水珠拱起幅度減小，接觸角最終穩定在109.16°。由此可以看出，隨著十二烷基三乙氧基硅烷濃度的增大，潤濕角先增大后減小，潤濕性由強親水性變為疏水性。這是由于配比在2∶1范圍內，越來越多的疏水鏈接枝到納米SiO2表面，疏水性逐漸增強。而超過2∶1時，疏水鏈接枝數量增加，由于空間位阻效應，減少甚至阻礙了硅烷偶聯劑同納米SiO2的相互作用，最終導致疏水效果變差[18]。通過實驗得出疏水效果最佳時，改性劑與納米 SiO2的質量比為 2∶1。

2.2.2 疏水鏈鏈長對納米SiO2潤濕性的影響

以3種改性劑改性的納米SiO2為研究對象，考察在不同改性劑配比下，疏水鏈鏈長對改性納米SiO2潤濕角的影響規律如圖4所示。

由圖可以發現，經十六烷基三乙氧基硅烷改性的潤濕角圖線始終位于最高處，在各個改性劑配比下的潤濕角均大于其余2種改性劑，最終穩定在126.64°；經十二烷基三乙氧基硅烷改性的潤濕角最終穩定在110.54°，經辛烷基三乙氧基硅烷改性的潤濕角最終穩定在91.57°。在最佳改性劑配比為2∶1的條件下，對比3種改性劑改性納米SiO2的潤濕角依次為106.95、130.1、145.36°，其中由十六烷基三乙氧基硅烷與納米SiO2質量比為2∶1在條件下，改性的納米SiO2具有強疏水性。

圖4 疏水鏈鏈長對納米SiO2潤濕角的影響規律Fig.4 Influence law of hydrophobic chain length on wetting angle of nano-SiO2

當改性劑C—C有機鏈較短時，改性納米SiO2疏水性較差，當改性劑C—C有機鏈較長時，改性納米SiO2疏水性較好。說明改性劑C—C有機鏈的長短直接影響著接枝到納米SiO2表面的疏水鏈的長短，進而控制著改性納米SiO2疏水效果的好壞，因此可以通過改變硅烷偶聯劑有機鏈長度調節納米SiO2潤濕角的大小，由此得出一種由疏水鏈長短調節潤濕性的“潤濕調控”機制，即材料表面的疏水結構彈性調節材料的潤濕性能。這種通過結構控制由親水狀態向疏水狀態的轉變，可以為粗糙度控制潤濕性的潤濕機制提供新的視角，并為今后材料表面潤濕性的智能化篩選和設計提供新的思路。

2.3 固體表面自由能計算

為進一步探究納米SiO2的疏水改性效果，采用Young’s方程分別計算了未改性及由3種改性劑改性的納米SiO2的表面自由能如圖5所示。經疏水改性，納米SiO2表面自由能大幅減小，由67.33 mN/m減小至18.76、6.75、1.97 mN/m。納米顆粒表面接枝的有機長鏈能夠在很大程度上減弱納米SiO2表面的極性，降低SiO2表面的能態，以提高納米粒子與有機基體間的兼容性。低能態的納米SiO2在結構、性能方面更加穩定，疏水效果更加優異。

圖5 改性前后納米SiO2的固體表面自由能Fig.5 Solid surface free energy of nano-SiO2before and after modification

2.4 有機相溶性測試

納米SiO2改性前后在石蠟中沉降時間，如表1所示。由表1可以看出，未改性的納米SiO2在石蠟中的懸浮穩定時間最短，僅7 d就會沉底。所有經過改性的納米SiO2在石蠟中的懸浮穩定時間隨著改性劑鏈長的增加逐漸變長，可在石蠟中維持數月。由此可以進一步說明改性后的納米SiO2獲得了良好的疏水效果，削弱了與有機基體間的界面作用，使得與有機介質的相溶性得以提高，為充當填料在有機材料中的應用奠定了基礎。

表1 納米SiO2改性前后在石蠟中沉降時間Tab.1 Settling time in paraffin wax with unmodified and modified nano-SiO2

3 結論

利用3種碳鏈依次增加的長鏈型硅烷偶聯劑，在無水條件下改性納米SiO2制備出疏水納米SiO2顆粒。改性后顆粒形態規則，分散均勻，粒徑保持在20 nm左右，潤濕性由強親水性轉變為強疏水性，表面能大大減小，能在有機石蠟介質中穩定存在數月。其中在十六烷基三乙氧基硅烷與納米SiO2的質量比為2∶1條件下，改性的納米SiO2疏水性能最佳，疏水角達到145.36°，表面能減小至1.97 mN/m。考察改性條件得到一種由改性劑疏水結構調節潤濕性的“潤濕調控”機制，該機制可實現對材料表面潤濕性的可控化管理，并為潤濕性的篩選和設計提供一種新的思路，這對于拓寬材料種類以及提升材料性能具有較高的實用價值。