单分散二氧化硅微球的制备和应用

单分散二氧化硅微球的制备和应用

（海南大学材料与化工学院，材料科学与工程系）

摘要：具有分散性好、巨大的比表面积、极好的光学性能和化学稳定性等优良性能的单分散二氧化硅微球已成为现代的研究热点。本文简单的介绍了单分散二氧化硅微球的概念及应用，综述了其多种制备方法，并展望了其美好的应用前景。

关键词：单分散体系；二氧化硅微球；光子晶体

引言

近年来，新材料和先进制造技术正在迅猛的发展和广泛的应用，材料是人类进化的标志之一[1]。而今，人们对材料性能的要求也越来越高。材料性能与材料颗粒的大小、形貌密切相关，而材料的光、电、磁学等宏观性能也很大程度的依赖材料的颗粒大小和形状均匀程度。精确控制粉末原料的物理化学性能，制备出高纯、球形、粒度分布窄、活性高且分布均匀的材料是众多科研工作者追求的目标。控制材料颗粒的大小和形貌，特别是制备出具有均匀尺寸和规则形貌的单分散材料是当前材料科学中的研究热点[2]，由于单分散体系的颗粒均一且表面性质相同，赋予其很多独特的性质和越来越广泛的应用。

单分散二氧化硅微球因为其分散性好、有巨大的比表面积、极好的光学性能和化学稳定性等优良的性能已成为材料科学与凝聚态物理领域中的研究热点[3]，通过控制合成过程的工艺参数可对微球的粒径及其分布、密度和比表面积等进行较精确的调控。已被广泛应用于橡胶、工程塑料、涂料、胶粘剂、封装材料和化妆品等行业[4,5]。本文简单的介绍了单分散二氧化硅微球的概念及应用，综述了其多种制备方法，并展望了其美好的应用前景。

1 单分散二氧化硅微球概述

目前,人们已经可以在一定规模上制备出纳米级的单分散二氧化硅,并且已在陶瓷制品、橡胶改性、塑料、涂料、生物细胞分离和医学工程、防晒剂、颜料等方面获得广泛的应用。由于单分散体系的形成过程对条件十分敏感,且受多种复杂因素的制约,导致某些机制至今

尚未明确,这给制备大粒径单分散的二氧化硅颗粒带来了诸多的困难[6]。

1.1 单分散微球

单分散微球是指不但组成、形状相同，而且粒子尺寸较为均匀的微球[7]。目前药剂学上关于微球粒径范围的定义一般为1-500um，小的可以是几纳米，大的可达800um，其中粒径小于500nm的，通常又称为纳米球（nanospheres）或纳米粒（nanoparticles）,属于胶体范畴。

1.2 单分散球形SiO2

是无定型白色粉末,是一种无毒、无味、无污染的非金属材料。球形, 呈单分散球形SiO

2

絮状和网状的准颗粒结构，具有对抗紫外线的光学性能。其掺入材料中可提高材料的抗老化性和耐化学性; 分散在材料中, 可提高材料的强度、强性;具有吸附色素离子、降低色素衰减的作用。

近几年，用单分散微球为原料自组装制备光子晶体已成为目前研究的热点。优良的单分散二氧化硅球形颗粒的合成是制备高质量光子晶体的前提。

2 单分散二氧化硅微球的制备

微球的制备方法很多，如微乳液法、化学气相沉积法、粉碎法、机械合金单分散SiO

2

法、溅射法、激光诱导化学气相沉积法、化学蒸发凝聚法、沉淀法、超临界干燥法、水热合成法、溶胶一凝胶法、胶束法、反胶束法、气溶胶法、共沉淀一微乳液联用法、辐射合成制备法、球晶技术、囊泡技术等。

2.1水热法和胶体化学法

水热法也被成为水热反应，是指在密封的压力容器中,以水为溶剂,在高温高压的条件下进行的化学反应。它利用高温高压的水溶液使得大气条件下不溶或者难容的物质溶解，或通过反应生成所需产物的溶解态，然后控制高压釜内溶液的温差使产生对流以形成过饱和状态而生成晶体。

该法的特点是粒子纯度高、分散性好、晶型好且大小可控，用水热法制备的粉体一般无需烧结,这就可以避免在烧结过程中晶粒会长大而且杂质容易混入等缺点。但是对设备要求高，操作复杂，能耗较大[8]。米刚等[9]利用液固相水热反应方法，以硅溶胶为硅源，在三价铁辅助下与乙二胺的水溶液在180℃反应后生成具有空间群结构的单晶氧化硅纳米线。

胶体化学法的基本原理是：将金属醇盐或者无机盐水解直接形成溶胶或者经解凝形成溶胶，然后使溶质聚合凝胶化，再干燥凝胶，除去有机成分得到无机纳米颗粒。这种方法多用

于制备氧化物纳米颗粒。金属醇盐的水解和缩聚反应方程可以表示为：

水解：M(OR)4 + nH2O → M(OR)4-n(OH)n + nHOR

缩聚：2M(OR)4-n(OH)n→ [M(OR)4-n(OH)n-1]2O + H2O

总反应方程式：M(OR)4 + H2O → MO2 +4HOR

2.2微乳液法和反胶束微乳法

微乳液法，又称反相胶束法，是液相制备法中的较为新颖的一种手段。金属盐和一定的沉淀剂形成微乳状液，在较小的微区内控制胶粒成核和生长，热处理后得到纳米粒子。

微乳液法制备的纳米粒子粒度均一但是在制备过程中需要使用大量的有机物，其回收比较麻烦，成本高且会对环境造成污染。王玉琨等[10]以TritonX-100/正辛醇/环己烷/水(或氨水)形成微乳液, 在考察该微乳液系统稳定相行为的基础上, 由正硅酸乙酯(TEOS)水解反应制备纳米粒子。该工艺的分析结果表明: 选择适当的R(水与表面活性剂量比)和h(水与正硅酸乙酯量比) , 可合成出疏松球形纳米SiO

,且反应后处理较简便。粒径大小可由改变R和

2

粒子99.17%粒径为40-50nm。h控制,在R= 6.5, h= 4的条件下, TEOS受控水解制得的SiO

2

反胶束微乳法中的反应体系中需要有两种互不相容的液体，例如水和油。在反胶束微乳液中，处于纳米尺度的水滴由表面修饰剂所包覆，被均匀分散在非极性溶液中。化学反应被限制在水相里进行，因而这些反胶束腔也被称作为微乳液纳米反应器。

利用反胶束微乳液方法获得的纳米颗粒一般都很均匀，颗粒的大小有水和表面修饰剂的比例来决定。

2.3沉淀法

在含有一种或者多种粒子的可溶性盐溶液中加入沉淀剂，或是通过升高溶液的温度使溶液发生水解而产生不溶性的氢氧化物，水合氧化物或者盐类。然后将溶剂和溶液中原有的阴离子除去，经热分解或者脱水后即可得到所需的产物。这种方法即为沉淀法。

在沉淀法中，匀相沉淀法是研究的比较多的一种方法，不同于共沉淀法（含多种阳离子的溶液中加入沉淀剂以后，所有的粒子完全沉淀）在匀相沉淀法中，沉淀过程是平衡的，沉淀在整个溶液过程中均匀的出现。这种方法可以达到颗粒粒径分布小于5 %的纳米粒子。

该法原料易得、生产流程简单、能耗低、投资少；但是产品质量较差。

唐芳琼等[11]采用此法制出粒径在5-100nm的二氧化硅颗粒。汪国忠等[12]用商品级水玻璃和碱金属盐类为原料，在表面活性剂的存在下，酸化、分离，再用去离子水洗涤，最后烘干得粒度可控的非晶球形纳米二氧化硅。其具有粒度分布均匀、纯度高、多孔、具有较高的球形度和比表面积等优点。