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空心和实心SiO2胶体晶体微球的快速制备方法

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第47卷第1期 2018年1月 人 工 晶 体 学 报 JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vo1.47 No.1 January。2018 空心和实心SiO2胶体晶体微球的快速制备方法 胥明日,孙伟,朱慧丽,魏亚倩,陈胜利 (中国石油大学(北京)重质油国家重点实验室,北京102249) 摘要:胶体晶体微球因其独特的内部结构被广泛地应用到诸多领域。本文提供了一种简单、快速合成SiO:胶体晶 体微球的方法,即:将单分散SiO:微球悬浮液加入到有机溶剂(正辛醇或二甲基硅油)中超声乳化,使SiO:微球在 溶剂中自组装,形成SiO:胶体晶体微球,用扫描电镜(SEM)观察其形貌结构,用Nano Measurer 1.2软件统计其粒 径分布。实验表明,SiO 胶体晶体微球在正辛醇中形成空心结构,在二甲基硅油中形成实心结构;悬浮液浓度,悬 浮液与溶剂的质量比,单分散SiO 微球粒径不会明显影响SiO 胶体晶体微球的形貌和结构,但会对其粒径分布产 生一定的影响。 关键词:空心与实心结构;自组装;SiO:胶体晶体微球 中图分类号:TB321 文献标识码:A 文章编号:1000-985X(2018)01-0125-06 A Rapid and Simple Method for Fabrication of Hollow and Solid Silica Colloidal Crystal Microspheres XU ng—ri,SUN Wei,ZHU Hui—li,WEI Ya—qian,CHEN Sheng—li (State Key Laboratory of Heavy Oil Processing of China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China) Abstract:Colloidal crystal microspheres are widely used in many fields because of their unique internal structure.The present research work demonstrated a rapid,simple and facile method for preparation of silica colloidal crystal microspheres with hollow or solid structure.Silica sol(silica nano—particles dispersed in water)was put into some solvents having some water solubility(n-octanol or silicone oil), and then emulsion droplets of silica sol were formed by ultrasonic emulsiifcation.Finally,the silica nanoparticles were assembled into silica colloidal crystal microspheres.SEM was used to observe the morphology and Nano Measurer 1.2 software was used to count particle size distirbution.It was found that the nano silica particles assembling process in n—octanol would result in the formation of hollow silica colloidal crystal microspheres,while the assembling process in silicone oil would lead to solid colloidal crystal microspheres.The mass fraction and size of primary silica particles in droplets,mass ratio of silica sol to solvent did not affect the morphology but could affect size distirbution of prepared colloidal crystal microspheres. Key words:hollow and solid structure;self-assembly;silica colloidal crystal microsphere 士 丘 在胶体体系中,单分散胶体颗粒能够自发形成一定的周期性排列,这种周期性排列类似于原子或分子在 基金项目:国家自然科学基金(91534120) 作者简介:胥明日(1990一),女,河北省人,硕士研究生。 通讯作者:陈胜利,教授。 人工晶体学报 第47卷 晶体中的排列,被称为胶体阵列(Crystalline array)或者胶体晶体(Colloidal crysta1) 11。将具有上述排列的球 形颗粒称为胶体晶体微球,常见的胶体晶体微球可根据其内部结构,分为实心胶体晶体微球和空心胶体晶体 微球。胶体晶体微球孔道贯通,孔结构均一,可应用于与孑L结构相关的研究中,如作为模型催化剂载体 .3 ¨等,并且其独特的光学性能也广泛地应用于多种领域,如标记多元和非多元生物监测_4 ,光学编码技术 , 细胞捕获和细胞培养 ,药物输送 等。故胶体晶体微球及其合成方法受到了越来越多学者的关注。 已报道的实心胶体晶体微球合成方法种类众多。溶剂蒸发诱导液滴模板内的胶体纳米粒子组装可得到 胶体晶体微球,但该方法制得的颗粒表面较为粗糙¨ 。自组装法是快速合成胶体晶体微球的方法之一,该 方法合成的胶体晶体微球表面排布规整致密。Young.Sang Cho等¨ 用自组装法将单分散聚苯乙烯微球组 装为实心胶体晶体微球,该方法在油包水和水包油体系中均可实现。但上述方法均依赖于微流控技术,需要 精密的仪器设备和较高的实验条件。喷雾干燥法自1991年由Master提出后,逐渐成为批量合成胶体晶体微 球的重要方法,但该方法所得颗粒的球形度强烈依赖于合成条件¨ 。综上,尽管实心胶体晶体微球的合 成方法众多,但简单快速地合成该类微球仍存在一定的困难。 空心胶体晶体微球的合成方法可分为模板法和非模板法。O.D.Velev等 以乳胶液滴作为模板,将其 加入单分散乳胶微球悬浮液中,单分散乳胶微球在模板表面吸附,去除模板后得到空心胶体晶体微球。张利 雄教授等¨ 利用辅助微流体溶剂萃取法合成SiO 微球,并通过改变萃取剂种类,萃取温度等条件得到空心 SiO,胶体晶体微球。Ke xu等¨ 也用溶剂萃取法合成空心胶体晶体微球,并通过减少乳液液滴固化为胶体 晶体微球的时间,快速获得空心胶体晶体微球。上述方法或有赖于均一的模板,或操作繁琐,合成条件不易 控制,或依赖于微流控技术,对仪器设备要求高,都不能简单迅速地制备空心胶体晶体微球。由此可见,建立 种简单快速的胶体晶体合成方法是十分必要的。 本文提供一种可简单快速地合成胶体晶体微球的实验方法,即在不同有机溶剂中萃取乳液液滴中的水 分,分别获得具有实心和空心结构的微米及亚微米级SiO 胶体晶体微球,同时研究了单分散SiO:微球悬浮 一液浓度,悬浮液与有机溶剂的质量比,单分散SiO 微球粒径对胶体晶体微球形貌和粒径分布的影响。 2 实 验 2.1实验试剂及仪器 主要试剂包括:正硅酸乙酯(TEOS),98%;硅溶胶(单分散SiO2微球粒径为30 nm),AS-40,Sigma— Aldrich公司;二甲基硅油(PDMS),分析纯,北京海贝斯公司;正辛醇、甲醇、乙醇、环己烷,分析纯,山东亚西 亚化学工业有限公司。 主要仪器包括:扫描电镜(SEM),SUB010,日立公司;KQ-600KDB型高功率数控超声波清洗器,昆山市超 声仪器有限公司;DZ一1 BC II真空干燥箱,天津市泰斯特仪器有限公司。 2.2实验过程 2.2.1纳米单分散SiO 微球的合成 本文采用种子生长法合成纳米单分散SiO 微球 Il8_:将特定浓度的TEOS、氨水、H:O的甲醇溶液装入 反应器,在25 cc下反应生成种子。种子生成后,将特定浓度的TEOS甲醇溶液和氨水、H:O的甲醇溶液逐滴 滴人反应器中,使种子生长到预定的大小。 用重力沉降法分选颗粒,得到粒径均一的SiO:微球,并按表1将其配制成不同浓度的悬浮液,作为制备 胶体晶体微球的原料。 2.2.2 SiO 胶体晶体微球的组装 SiO 胶体晶体微球的组装过程具体如下:用烧杯称取定量单分散SiO:微球悬浮液,按一定比例加入正 辛醇,在超声池中超声分散悬浮液,使小液滴在正辛醇中均匀分布,小液滴中的水分被正辛醇迅速萃取,形成 空心胶体晶体微球;向定量的单分散SiO 微球悬浮液中加入一定量的二甲基硅油,在超声池中充分震荡分 散后,将乳液全部倒入聚四氟乙烯( FE)培养皿并置于55℃的烘箱中放置24 h,单分散SiO 微球组装为 仟f 』I f :1 心f¨实心SR) 胶体I1^体做球的怏逃制 ’ 27 实心胶体I…水做球.H ̄‘h—w,分圳川乙 和 烷洗涤 粒表 的f 一:…』 川¨卅lU镜(SEM) 太 』I形猊.川NⅢⅢ 烧增大胶体·…小做球的姒发 1.2软什分析胶体品体微球的SEM , 到 粒f 分 ,『『J‘迎过700 c( 高温焙 表l 悬浮液中SiO 微球尺寸及浓度 Table l The primary silica particle size and content in the silica suspension  ̄,amplt CS一30一l (:S一30—2 (: 一30—3 (: .30 3O 3O 30 30 50 l(】 2() 3() 40 (: 一50.3 (iS—I50.3 CS—l 94 3 30 30 30 50 94 3 结果与讨论 3.1 正辛醇中组装的胶体晶体微球形貌特征 b C l冬1】 l nl f,l【f I' Si1() 胶怵} f小微球) i【驾1( 验条 l::a一 濉,怂浮液 l jI ’ 』页jl 【E 1:30, 所川 III!II(LI1)CS一30—1,(a2)CS一30—2,(a3)CS一30—3,(a4)CS一30-4;Il_ 濉,CS一30—3, 怂浮液 jIl 埙{I¨E(I】1)I:20.(h2)1:30,(b3)1:40,(1M-)1:50;t·~事濉,怂浮液 If! 所川 II『I(【·I)(: 一30—3.((-2)(:s一50—3,(e3)CS—I50—3,((14)(:s一194—3) 顷:l¨E 1:30 } ig.1 Mol’I1lmlogy ot’}"e1).1re(t silica colloidal(·l stal f『1i( rf l}ll1P rfls in I1-(1(-tanol t 分敞 ) 微球 ¨|、 雕IfIl『火速 装,肜成空心结构的SiO!胶体 体微球 浮液浓发,仃机溶j=ffJ禽 书濉条什卜,选用质量 构的影响 分数30wl%的30 I1111 分敝SiO 微球怂浮液与正辛醇以质髓比为l:30混合作为 ̄,H!if,lfI实验,分圳改变悬 分敞Si() 微球粒径,研究 述条件埘SiO 胶体I;^休微球肜貌 ¨『I冬1 1(a,I,)lIJ .随着怂浮液浓发干¨仃饥溶刹 It 勺增加,Si() 微球肜貌 /f 发 t:-改 ,仍为 心 j 分(tiI冬{(1纠3al,a2) 知,较小粒 微球n勺 i i.随怂浮液浓发币¨ fJl j=i=IJ ,J增』J Jl… 增]Jll ; ≮ 。 。1I 2 I}I 硅油中 装的SiO,胶 } 水微球形税I kl ( 验条什:a一7 =55 e(:,悬浮液 ■f 基碓 li质{ 比1:3(),J=iJi=川样 (dI)(:s一30—1,(a2)(IS一30—2 (a3)CS一30—3,(a4)CS一30-4;II_T=55 c【 ,CS一30—3.怂浮液 Jj二IlI 111质 比 (1)1)1:30,(b2)1:40,(b3)1:50,(}4)l:60; T=55 oC.怂浮液 j f}l j^ { 汕质}i 比1:30, 所Jt J样I (c1)(:s一30—3,(c2)CS一50—3,((·3)CS—l50—3,((、4)CS—I94—3) Fig.2 Mm’phology ol l1repm'ed silica colloidal crystaI mim’osphev‘t s in sili(’Ol1P()i1 采川埘照 实验条件,改变 分敞SiO 微球卡 i ,即 f xi2i]i]i怵微球, 到实验结 雕【l}|川不川 的单分敞SiO 微球 装胶 随 分敞SiO 微 1(c) 多数SiO 胶体 体微球仍 t-,h‘夺心 构, 形 球 的变化fn 变化 、从 4(al,a2)fJr以看出, 分敞SiO,微球 胶休I lIl体微球表【n 眨 J 捌j列、 .政变有机溶剂种类, 二f}1堆砟{lIf r1} 合成Si() 胶怵品体做球,探究小 验条什刈Si(),胶 ,…小做球 55 :烘 tt,放 24 h, 55 :卜,将 验,改 做球 3.2二甲基硅油中组装的胶体晶体微球形貌特征 成的影响 超J 分敝SiO,悬浮液 ,将乳液迅速转移钊VI FE培养叨.If1, 液淌If 水分 取亢 , ̄b'dq胶怵晶体做球 、 仍改变Si() 怂浮液浓俊和I柯饥溶齐u i i..研究陔条什时si()!胶体^6仆微球绀装I'/q'j 变怂浮液浓 fIl:ff] 碓汕 彤 质f 分数30wFA的30 n『l1 I、f1.分敞si(),做球悬浮液 1.j f 矾汕以质 比 l:30混合,f1 为埘 ,实验结果如 2(u,h)所尔 .1…1纠I 知,}发文验条件卜,SiO 胶体f 受怂 、?-if ̄浓 l和1 fJ【溶剂 与 }髟响,均为实心结构:分忻』 牲 分f1 』冬i(Ik1 3 bI,l,2)lIJ‘以发 .怂浮 液 质_II 分数为30%以技‘j_l_ l 基硅汕质越比为l:30时,小1=3 Wn的胶f小}川本微球l 0 匕 大,Ji If_, { s_() ,怂浮液顷f 分数过I 忖,人粒 sj(),胶体}5 怵做球占比增夫 一II;他实验条什 j埘 组保持一致,改变单分散SiO 微球 , 装所 的SiO,胶怵}…水微球形祝耍¨ 的改变 变, t ’ J耍 『 心 排州 2(c-)}i『i=示 验丧明,改变 分散SiO,微球粒径 /f 影响SiO,胶体品体做球形貌,所 胶体I 体做球均为 实心 构 ¨II,J‘,胶体品体-1q教h球 面的 分散微球排 力‘ 不随 第1期 胥叫【1等:宅心f¨实心SiO 胶体品体微球的快速制备方法 I29 状态,其表面形貌 由 4(bl,b2)所示。 l ∞ —u芒&窭dn∞吞暑矾l0们 N丽 暑墨IID Io豁普u3J ∞D曩写口芒dn 8l1 j0 8Nfs 暮 lpJo 口§ _ 雪 § 垂团Cs l啊 E 羹圈CS 2 E 蝥甓 )-3 H 鼍 {薹董 裁 翌 薹 Iu O 6 |l o o B】暑 箬 O 4 ∞ 3l葛△ dn 8一暖J0 saN O 5 O 3 O 0 0 Size of silica supraparticles/llm 2 ● 0 Size ofsilica supraparticles/ ̄m 图3 SiO 胶体品体微球粒径分布图(实验条件:al一室温,连续相: 辛醇,cs一30—3,悬浮液‘ 正辛醇 质量比小Ⅲ;a2一室温,连续十t】:正辛醇,悬浮液_lJj正辛醇质量比1:30, 所用样品小同;bl—T=55 oC,连续相:二甲基硅油,cS.3O一3,悬浮液与二甲基碓油质鲢比不同; l 2一T=55℃,连续村I:二f。It基硅油,悬浮液与二甲基硅油质量比1:30,所J}】样品不 ) Fig.3 Size distrit)ution oi’prepared silica colloidal crystal microspheres 冈4 SiO 胶体晶体微球表而形貌图(实验条件:a一室温,悬浮液与正辛醇质量比1:30,所用样品(a1)CS.150.3, (a2)CS一194—3;b-T=55℃,悬浮液与二 基硅油质量比1:30,所用样品(b1)CS一150-3,(b2)CS一194—3) Fig.4 Surface morphology of silica colloidal crystal microspheres 本课题组孙伟等 指出胶体晶体微球的形貌差异是因为液滴在正辛醇中的收缩速率远高于住二【f{基 硅油中的收缩速率,水分在正辛醇中的快速移除使得液滴迅速收缩,并在表面形成壳层,最终导致空心胶体 晶体微球的形成,而液滴在二甲基硅油中收缩缓慢,并无壳层形成,最终形成实心胶体晶体微球。 4 结 论 本文用简单快速的方法分别在正辛醇和二甲基硅油中获得了具有空心和实心结构的SiO,胶体晶体微 球,该方法无需精密设备和复杂流程,多数微球粒径小于10 m。改变悬浮液浓度以及悬浮液与有机溶剂的 质量比可以调整胶体晶体微球的粒径分布,但这并不影响SiO 胶体晶体微球形貌。单分散SiO 微球粒径 130 人工晶体学报 第47卷 增大,胶体晶体微球形貌不随之改变,依旧在正辛醇和二甲基硅油中分别形成空心和实心结构。形貌结构差 异是因为液滴在不同有机溶剂中的收缩速率不同而产生的。 参考文 献 006,20(4):11—14. 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